A Ma Très Chère et Adorable Mère, A Mon Très Cher Frère et Chère Belle Sœur, A Mon Très Cher Mari Pour son Soutien Constant,

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3 Dédicace A La Mémoire de Mon Père, A Ma Très Chère et Adorable Mère, A Mon Très Cher Frère et Chère Belle Sœur, A Mon Très Cher Mari Pour son Soutien Constant, A Toute Ma Famille et Belle Famille, A Toutes Mes Amies. Merci

4 Remerciements Cette thèse a été réalisée dans le laboratoire de chimie-physique macromoléculaire (LCPM) de l Université d Oran (Es-Senia). J adresse mes plus vifs remerciements à Monsieur A.KRALLAFA, Professeur à l Université d Oran (E s-senia) qui à dirigé cette étude avec intérêt et attention. Je souhaite lui exprimer toute ma gratitude et ma profonde reconnaissance pour sa disponibilité sans faille ainsi que l aide précieuse qu il m a constamment apporté pour faciliter la réalisation de ce travail. Je l assure de ma profonde gratitude et de mon grand respect pour ses grandes qualités tant humaines que professionnelles. Je tiens à exprimer ma gratitude à Monsieur S.HACINI, Professeur à l Université d Oran (Es-Senia) pour avoir accepté de présider ce jury. Qu il trouve ici l expression de ma profonde reconnaissance. Je tiens particulièrement à exprimer ma reconnaissance à Monsieur M.DAUCHEZ, Professeur à l Université de Reims (Champagne Ardenne) pour av oir accepté de juger ce travail. Qu il trouve ici l expression de mes remerciements. Mes remerciements s adressent également à Monsieur A.RAHMOUNI, Professeur à l Université de Saida d avoir accepté de faire partie de ce jury et de juger ce travail. Qu il trouve ici l expression de ma profonde gratitude.

5 Je tiens à exprimer ma reconnaissance à Monsieur B.M. HAYA, Professeur à l Université de Séville (Espagne) pour avoir accepté de juger ce travail. Qu il trouve ici l expression de ma reconnaissance. J exprime ma grande gratitude à Monsieur F.LEBSIR, Maitre de Conférences (A) à l Université d Oran (Es -Senia) pour avoir accepté de juger ce travail. Qu il trouve ici l expression de mes remerciements. Enfin je tiens à remercier mes collègues et amis du laboratoire de Chimie Physique Macromoléculaire ainsi que ceux du Département de Chimie pour leur présence et leur soutien tout au long de ces années de travail de thèse sans oublier toute ma famille pour son soutien indéfectible et qui, sans eux, ce travail n aurait pas pu aboutir.

6 SOMMAIRE Introduction et Objectifs 1 Chapitre I : Les Cyclodextrines et leurs Domaines d Applications I.1 Introduction à la Chimie Supramoléculaire. 4 I.2 - Les Cyclodextrines 6 I Historique 6 I Généralités.. 7 I.3 - Synthèse des Cyclodextrines 8 I.4 - Structure des Cyclodextrines.. 9 I.5 - Propriétés des Cyclodextrines.. 12 I.5.1 Détection.. 12 I.5.2-Solubilité. 12 I.5.3- Flexibilité. 16 I.5.4-Toxicité I.6 - Domaines d Applications des Cyclodextrines. 17 I Domaine Agroalimentaire et Alimentaire 18 I.6.2- Domaine Environnementale.. 19 I.6.3-Utilisation en Dépollution des sols I.6.4- Domaine de la Cosmétologie.. 20 I.6.5- Domaine de l Analyse Chimique 20 I L Application en Polymérisation. 21

7 I L Application en Catalyse.. 22 I.6.8- L Application en Pharmacologie 26 Références Chapitre I. 34 Chapitre II : Méthodes de Calculs Appliqués aux Complexes D Inclusion II.1- Complexe D Inclusion 44 II.1.1- Formation d un Complexe.. 44 II.1.2- Forces Régissant la Complexation 45 II.2-Modélisation Moléculaire. 46 II.2.1-Introduction. 46 II.2.2- Equation de Schrödinger : Principe de Résolution. 48 II.2.3- L Approximation de Born- Oppenheimer II.2.4- L Approximation Orbitalaire 53 II.2.5- L Approximation LCAO. 54 II.3- Méthode du Champ Auto Cohérent ( Self Consistent Field ).. 55 II.4-Méthode Ab-Initio. 58 II.5-Méthode Semi-Empirique.. 62 II.6-Méthode Empirique.. 63 Références Chapitre II 65 Chapitre III: Etude Théorique des Complexes D inclusion Triphenylphosphine BiSulfoné para tbu / β-cyclodextrine III.1-Introduction.. 68 III.2- Méthodologie d Insertion 68

8 III.3-Modes et Résultats d Insertion 73 III.4-Calculs des Distances Interprotons 79 III.5-Conclusion 84 Références Chapitre III.. 85 Chapitre IV: Etude Théorique des Complexes D inclusion Tetracaïne / β-cyclodextrine. IV.1-Introduction. 86 IV.2- Modes et Profils d Insertions 88 IV.3- Calculs des Distances Interprotons IV.4-Calculs des Propriétés Energétiques des Complexes 93 IV.5- Calculs des Descripteurs Moléculaire.. 95 IV.6 Conclusion Références Chapitre IV Chapitre V: Etude par Spectroscopie Raman des Complexes Tetracaïne / β-cyclodextrine. V.1- Historique V.2- Principe de la Spectroscopie Raman V.3- Structure et Avantages d'un Spectromètre Raman. 106 V.4- Spectres Théoriques de la Tetracaïne 110 V.4.1-Spectre de la Face Primaire 111 V Hautes Fréquences 113 V Moyenne Fréquences 113 V.4.2-Spectre de la Face Secondaire 115

9 V Hautes Fréquences 116 V Moyenne Fréquences 117 V.5- Spectres Expérimentaux de la Tetracaïne V.6 Conclusion 122 Références Chapitre V Chapitre VI: Etude Théorique des Complexes D inclusion Procaïne / β-cyclodextrine VI.1-Introduction VI.2- Modes et Profils d Insertions VI.3- Calculs des Distances Interprotons 131 VI.4-Calculs des Propriétés Energétiques des Complexes VI.5 Conclusion Conclusion Générale 135 Annexe

10 Introduction et Objectifs La chimie supramoléculaire est née il y a une trentaine d années. Elle est basée sur l étude des interactions non-covalentes entre les espèces chimiques. Ces interactions, semblables à celles existant dans les systèmes naturels, ont inspiré les chimistes pour développer de nouveaux concepts. Par exemple, le concept de reconnaissance moléculaire est inspiré du concept clé-serrure d Emil Fischer* et à conduit à synthétiser des systèmes moléculaires artificiels adaptés à une sélectivité voulue dans la reconnaissance des espèces chimiques. Le plus souvent, l espèce qui va reconnaître le substrat est un macrocycle fonctionnalisé qui forme, par l arrangement tridimensionnel de ses atomes et de ses fonctions, une cavité dans laquelle le substrat sera piégé et ainsi reconnu. Depuis sa naissance, la chimie supramoléculaire a développé des récepteurs moléculaires aptes à complexer les cations, les anions et les molécules neutres. D une manière générale, la sélectivité pour un cation donné dépend de l adéquation de taille entre le cation et le récepteur, de la nature des sites donneurs ainsi que la nature du solvant. La structure du récepteur détermine la nature du ou des substrats qu il est capable de lier. La fixation de ces substrats donne lieu à un complexe d inclusion. Le phénomène, ainsi observé, est appelé complexation. Plus récemment, la chimie théorique et la chimie physique se sont employées à en préciser les propriétés, notamment la variation de leurs énergies en fonction de la nature, de la distance, et de l'orientation des différents groupes en interaction. Les énergies sont en général bien plus faibles que celles des liaisons covalentes, les édifices intermoléculaires peuvent se faire et se défaire à une vitesse dépendant de leur nature, de leur nombre, et de leur disposition. Les cyclodextrines qui sont des macromolécules naturelles, sont utilisées comme molécules hôtes capables d encapsuler a l intérieur de leurs cavités un bon nombre de molécules, dites invitées. Pour cela, l intérêt de leur utilisation n a cessé de croître ces dernières années, et sont très souvent employées comme transporteurs de matières entre les phases organiques et les phases aqueuses. Leur utilisation dans les réactions biphasiques, constitue dans le cadre de la catalyse, un domaine d investigation très récent. Elles jouent le rôle de transporteur de matière entre les deux phases organique-aqueuse et cela par la formation -1-

11 d un complexe d inclusion entre un substrat insoluble en phase aqueuse et la CD, permettant ainsi sa solubilisation. L utilisation des cyclodextrines en pharmacologie consiste, quand a lui, un autre domaine d utilisation et non des moindres. Cette utilisation ce caractérise par l encapsulement d un principe actif a l intérieur des cavités des cyclodextrines, et cela pour assurer, soit sa solubilisation et par là, sa dissolution lente et contrôlée à l intérieur de l organisme, soit sa protection vis-à-vis de nombreuses dégradations biologiques, ce qui revêt une importance capitale dans le domaine de l industrie pharmaceutique, avec tout ce que cela implique comme utilisation dans le domaine médical. Cette thèse s articule autour de Six Chapitres, qui seront suivis respectivement par une Conclusion Générale et une Annexe : L objectif du Chapitre I est d exposer les propriétés des cyclodextrines ainsi que leurs caractéristiques, et de là, montrer leurs différents domaines d applications. Dans le Chapitre II on donnera les différentes méthodes de calculs applicables à l étude des complexes d inclusions ainsi que les propriétés qui en découlent. Le Chapitre III, quand à lui, sera consacré à la première partie des résultats obtenus a partir de l insertion d une molécule invitée, la triphenylphosphines bisulfonée, qui est utilisée dans la catalyse biphasique, et la molécule hôte qui est la betacyclodextrine. Dans le Chapitre IV on exposera tous les résultats ainsi que tous les modes d insertion possible obtenus entre la beta-cyclodextrine avec la première molécule invitée à usage pharmacologique: la Tetracaïne pour les types 1:1. Dans le Chapitre V nous exposerons les résultats obtenus par spectroscopie Raman pour l insertion de la Tetracaïne dans la beta cyclodextrine, et ceci a différentes concentrations, ainsi que les spectres obtenus théoriquement. Le Chapitre IV sera consacré aux résultats des calculs obtenus par l insertion de la Procaïne avec la beta-cyclodextrine pour les types 1:1. -2-

12 Nous clôturons enfin notre manuscrit par une Conclusion Générale et une Annexe qui regroupera, entre autre le programme Fortran utilisé pour le calcul des distances interprotons. *:Emil Fischer ( ),chimiste allemand il travailla essentiellement dans le domaine des glucides (les "sucres") en clarifiant notamment les notions sur la stéréochimie de ces molécules; il mit en évidence la relation étroite qui existe entre la configuration spatiale du substrat et l'enzyme spécifique qui lui correspond (selon un modèle de clef et de serrure). Il effectua en 1897 la synthèse de la caféine, et ses travaux lui on valu le Prix Nobel de Chimie en

13 CHAPITRE I Les Cyclodextrines et leurs Domaines D Applications

14 Chapitre I Les Cyclodextrines et leurs Domaines d Applications I.1-Introduction à la Chimie Supramoléculaire: La discipline de la chimie supramoléculaire fit son apparition dans les années 70, basée sur l association entre deux ou plusieurs espèces chimiques, elle est édifiée non pas à l aide de liaisons covalentes (liaisons intramoléculaires connectant les atomes entre eux pour former des molécules) mais, par des interactions intermoléculaires. La majorité de ces interactions sont du type hôte-invitée (host-guest) ou complexe d inclusion. L un des premiers chimistes qui s orienta vers ces interactions intermoléculaires fut Jean Marie Lehn [1], il réussit en 1969 à synthétiser des molécules tridimensionnelles creuses capables d enfermer des cations à l intérieur d une cavité Crypte, qui sont constituées d atomes d azote de carbone et d oxygène. Ces études faisaient suite à de nombreuses constatations concernant les cations alcalins, ces derniers occupant une grande place dans le monde minéral et le monde vivant, ils sont notamment à la base des phénomènes d équilibres et d échanges ioniques tels que ceux accompagnant la transmission du flux nerveux, il fallait donc développer des techniques pour la formation de complexes stables d ions alcalins avec des molécules organiques. Ce fut le début d une chimie que l on baptisa chimie supramoléculaire. L association entre les différentes espèces chimiques donne lieu à des complexes moléculaires. Ces derniers jouent un rôle important dans une multitude de processus chimiques et biologiques. En 1987, D.J.Cram, J.M Lehn et C.J.Pedersen reçurent le prix Nobel de chimie pour leurs travaux sur le développement et les applications des molécules qui peuvent se reconnaitre entre-elles et choisir avec quelles autres molécules elles formeront un complexe. Les trois chercheurs travaillaient respectivement sur les Cryptands et les éthers couronnes (Figure1). -4-

15 Chapitre I Les Cyclodextrines et leurs Domaines d Applications O O O O O O O Figure 1 : Structure d un cryptand et d un éther couronne. Les complexes sont formés à partir d une espèce réceptrice (hôte) qui inclut plus ou moins profondément un substrat moléculaire ou ionique (invitée), de ce fait une ou plusieurs molécules peuvent être «encapsulées» dans une ou deux molécules de cyclodextrine.cette inclusion n est, en général, pas accompagnée de la formation d une liaison covalente ou de coordination, car leurs énergies sont en général bien plus faibles que celles des liaisons covalentes, les édifices intermoléculaires peuvent se faire et se défaire à une vitesse dépendant de leur nature, de leur nombre, et de leur disposition. Ainsi, les processus d interactions et de reconnaissances moléculaires sont gouvernés uniquement par des forces dites faibles. Dans le cas des CD, le caractère hydrophobe de la cavité permet d inclure des molécules dont l hydrophobicité et la taille correspondent à celles de la cavité. Ce type d interaction est présent dans le domaine de la biochimie lors du processus de reconnaissance entre le ligand et le récepteur biologique, entre un anticorps et un antigène, ou encore entre l ARN et l ADN lors de la transcription. Dans ces processus biologiques, la reconnaissance moléculaire est très importante, du fait que ces récepteurs sont en général des cavités plutôt que des protubérances. Ces cavités biologiques sont formées à partir d une chaîne unidimensionnelle qui se replie sur elle-même de nombreuses fois en une structure tridimensionnelle maintenue par de multiples liaisons non covalentes. De nombreuses classes de macromolécules peuvent ainsi former des complexes d inclusion, comme par exemple, les clathrates, les éthers couronnes et les cyclodextrines. Ces molécules-cages, qui sont capables d encapsuler d autres molécules et qui ont des applications aussi bien en pharmacologie, en agroalimentaires, en catalyse qu en agriculture, intéressent de nombreux secteurs industriels. Parmi tous les hôtes -5-

16 Chapitre I Les Cyclodextrines et leurs Domaines d Applications potentiels, les cyclodextrines font partie de ces molécules creuses qui possèdent l aptitude à encapsuler à l intérieur de leurs cavités de nombreuses molécules invitées. Elles sont intéressantes pour plusieurs raisons que nous allons développer par la suite en donnant quelques unes de leurs plus importantes propriétés, ainsi que leurs différents domaines d applications. I.2- Les Cyclodextrines : I Historique: Les Cyclodextrines (CD) furent découvertes il y a un peu plus d un siècle. Le premier qui découvrit leurs structures fut Villiers [2] en 1891, il réussit à isoler une substance cristalline obtenue par la dégradation enzymatique de l amidon par une amylase (cyclodextrine glucosyl trasférase) qui est produite par différents bacilles dont le bacillus macerans. Villiers isola 3g d une substance de composition : [(C 6 H 10 O 5 ), 3H 2 O] à partir de la digestion de 1 kg d amidon. Du fait que leurs particularités physico-chimiques soit proches de celles de la cellulose, il les baptisa «cellulosines». Schardinger [3] en 1903, soit 20 ans plus tard, isola la souche microbienne responsable de la formation de ces «cellulosines» ainsi que le mode de purification et de préparation de ces oligosaccharides cycliques, ou dans les premières publications traitant des cyclodextrines, elles sont nommées dextrines de Schardinger. Il met aussi en lumière la capacité de ces dextrines à former des adduits particuliers avec les molécules d iode. La distinction entre l α-dextrine et la β-dextrine est due à leur différence quand aux complexes cristallins formés avec l iode, ou la couleur du complexe de l α-dextrine est gris-vert et celui de la β-dextrine est rouge-brun. En 1938 Freudenberg et al [4] ont mis en évidence que les cyclodextrines sont construites à partir d unités de D-glucoses liées entre elles par des liaisons α (1 4) glucosidiques. Ils découvrirent que les cyclodextrines étaient capables de former des complexes d inclusion, et ils déterminèrent la structure de la γ-cyclodextrine. Après cette découverte, de nombreuses questions sur la formation de ces dextrines à partir d unités glucopyranoses reliées par des liaisons osidiques furent posées, mais ces ambiguïtés furent vite éclaircies par les recherches entreprises dans ce domaine. -6-

17 Chapitre I Les Cyclodextrines et leurs Domaines d Applications French [5] en 1961, fut le premier à apporter des éclaircissements sur la formation de ces dextrines, ainsi que l existence de dextrines linéaires formées en même temps que les dextrines cycliques. A partir de là, de nombreuses hypothèses furent émises sur les propriétés de ces dextrines. L hypothèse qui persista longtemps, fut celle où on supposa que les dextrines étaient toxiques, cette dernière fut émise par French suite à une expérience menée sur des rats de laboratoire qui moururent après ingestion de dextrines. Des années plus tard, on constata, que la cause de cette mort n était pas imputable aux dextrines, mais au fait qu elles contenaient des traces de solvants organiques. A partir de ce moment, l étude des cyclodextrines prend un essor considérable dans différents domaines et leurs utilisation se caractérisa entre autre, par l élargissement à l usage humain et cela dans l industrie pharmaceutique. Ceci eut pour but, l encapsulement de certains principes actifs insolubles en milieux aqueux à l intérieur de ces dextrines afin d obtenir une large gamme de médicaments. I Généralités: Cette dernière décennie, un important développement dans le domaine de la chimie supramoléculaire a été caractérisé par l étude des mécanismes d inclusion [6-8] utilisant des molécules hôtes pour le piégeage d un bon nombre de molécules, et cela dans différents domaines. De nombreuses molécules minérales (Zéolithes, Argiles, ) ou organiques (Ethers-Couronnes, Cyclophanes, Cyclodextrines, ) présentent une «cavité» leur permettant de donner naissance à des complexes d inclusion. Dans ce processus, la molécule hôte admet à l intérieur de sa cavité une ou plusieurs autres molécules invitées pour former des complexes dit : hôte invitées (host guest) [9,10] sans qu aucune liaison covalente ne s établisse [11]. La stabilité du complexe ne repose donc que sur la qualité de l adaptation entre les partenaires. Ces propriétés de piège moléculaire sont mises à profit dans de nombreux domaines pour réaliser des catalyseurs [12] ou pour séparer les composants de mélanges complexes [13]. Les cyclodextrines revêtent un intérêt capital du fait qu elles peuvent former des complexes d inclusion avec de nombreuses molécules invitées [14], cela est dû à leur grande solubilité dans l eau [15]. Ajouter à cela des propriétés basées sur leurs -7-

18 Chapitre I Les Cyclodextrines et leurs Domaines d Applications conformations stériques qui leur confèrent la particularité d avoir deux cavités : une surface externe très hydrophile due à la présence de groupements hydroxyles, et une cavité interne qui est hydrophobe ou apolaire [16], cela leur permet d héberger des composés insolubles dans l eau. L inclusion par les cyclodextrines peut aussi se traduire par une protection de la molécule invitée vis-à-vis de dégradations prématurées d origine chimique (oxydation) ou biologique [17-19] et d assurer ainsi sa libération lente et contrôlée. Elles peuvent aussi être employées pour la séparation d isomères de composés organiques [13]. Les complexes d inclusion de cyclodextrines ont de multiples intérêts en pharmacologie, en cosmétologie, en agroalimentaire, en catalyse et d autres domaines encore que l on verra en détail un peu plus loin dans ce chapitre. I.3 Synthèse des Cyclodextrines : Les cyclodextrines sont des malto-oligosaccharides cycliques [20] comportant, pour les formes les plus abondantes, 6, 7et 8 unités D-glucopyranose et qui sont respectivement les cyclomaltohexose ( -cyclodextrine), les cyclomaltoheptose ( -cyclodextrine) et les cyclomaltooctose (γ cyclodextrine) [21]. Ces molécules hôtes naturelles, sont obtenues à partir de l'action enzymatique de la cyclodextrine (CGTase) sur l amidon [22]. glucosyltransférase Une large proportion de (CGTase) provenant de bacilles, exigent avant leur emploi, un traitement de l amidon avec l α-amylase qui demande une très grande énergie. Pour cela, de nombreuses investigations ont été effectuées pour obtenir des cyclodextrines à partir d une action directe sur l amidon brut (sans traitement au préalable) [22]. L habilité de la CGTase à produire des cyclodextrines du type (α, β, et γ-cyclodextrine) ainsi que des oligosaccharides linéaire [23], a été largement étudiée ces dernières années [24], et il se trouve que cette enzyme n est pas la seule à pouvoir produire des cyclodextrines même si elle est la plus utilisée, d autres enzymes ont aussi cette capacité à les produire [25]. De nombreux dérivés peuvent être obtenus à partir des cyclodextrines naturelles : les groupements hydroxyles des unités glucopyranose peuvent être aminés, estérifiés ou éthérifiés. La synthèse de ces dérivés a souvent pour but d'améliorer la solubilité des molécules hôtes [18]. -8-

19 Chapitre I Les Cyclodextrines et leurs Domaines d Applications La famille des cyclodextrines ne se résume pas seulement à celle ayant 6,7et 8 unités D-glucopyranose, même si elles sont les plus utilisées et les plus représentatives dans la catégorie des molécules cages, il existe aussi des cyclodextrines avec un nombre inférieur à six unités D-glucopyranose. Jusqu'à récemment, une théorie qui se basait sur des calculs simples, rendait la synthèse de cyclodextrines ayant un nombre d unité inférieure à cinq, quasi impossible, et cela, en raison des contraintes rencontrées [26], mais cette théorie à été contredite par la synthèse de cyclodextrines à quatre unités D-glucopyranose. Ces dernières ne peuvent être obtenues comme les précédentes (α, β, et γ-cyclodextrines) par un traitement enzymatique, mais, à partir de réactions de synthèse organique complexes [27]. Une large proportion de cyclodextrines ayant un nombre supérieur à huit unités D-glucopyranose furent décrites en premier par French et ses collaborateurs [28], mais vu leur faible rendement et la difficulté rencontrée pour leur purification en ce temps, elles ne furent pas entièrement caractérisées. Ce n est que cette dernière décennie, avec l avancement de la technologie, qu elles furent largement étudiées [29,30]. Ceci dit, les cyclodextrines ayant un nombre d unités D-glucopyranose inférieur à six et supérieur à huit unités, n ont pas trouvé d application dans le domaine industriel [31]. I.4 - Structure des cyclodextrines : Les cyclodextrines ont des structures cycliques d unités D-glucopyranose qui sont liées entre elles par des liaisons osidiques du type α (1 4) ou les formes les plus abondantes sont les α, β, et γ cyclodextrine. La différence réside dans le nombre des unités D-glucopyranose [32] (Figure 2). Ces unités sont sous une forme chaise, ce qui leurs confèrent l apparence d un cône au lieu de celle d un cylindre parfait (Cette structure en tronc de cône, délimitant une cavité en leur centre, présente un environnement carboné apolaire et plutôt hydrophobe (squelette carboné et oxygène en liaison éther), capable d'accueillir des molécules peu hydrosolubles, tandis que l'extérieur présente de nombreux groupements hydroxyles, conduisant à une bonne solubilité (mais fortement varia ble selon les dérivés) des cyclodextrines en milieu aqueux (Figure 3). Grâce à cette cavité apolaire, les cyclodextrines sont capables de former des complexes d'inclusion en milieu aqueux avec une grande variété de molécules-hôtes hydrophobes. -9-

20 Chapitre I Les Cyclodextrines et leurs Domaines d Applications HO O HO HO OH O O OH O HO OH O OH O HO OH O O H O OH O H O O H O HO OH O OH O HO OH OHO O OH O OHO OH (n) OH Figure 2 : Structure générale des cyclodextrines (vue de haut). Si n = 6 Si n = 7 Si n = 8 α -cyclodextrine (α - CD). β -cyclodextrine (β - CD). γ -cyclodextrine (γ - CD). Figure 3 : Structure simplifiée montrant la forme en cône. -10-

21 Chapitre I Les Cyclodextrines et leurs Domaines d Applications Cette structure cyclique se présente donc avec une cavité hydrophobe, où tous les groupements hydroxyles (OH) sont localisés à l extérieur : des groupements (OH) dit primaires et des groupements (OH) dit secondaires [32]. Ces groupements secondaires sont situés autour de l entrée la plus large de la cavité et on parle souvent de «face secondaire». Les groupements hydroxyles primaires, qui sont quand a eux localisés autour de l autre ouverture «face primaire», est rendue plus étroite par leur libre rotation. Ces nombreux groupements hydroxyle procurent à l extérieure des CDs un caractère hydrophile [33]. Le positionnement de ses groupements hydroxyles qui rend les cavités des cyclodextrines : l une hydrophobe (face secondaire) et l autre hydrophile (face primaire) [16], sont de deux types : des hydrogènes du type (H-3) et (H-5) à l intérieur [34,35], et des hydrogènes du type (H-2) et (H-4) à l extérieur [36]. L identification de ces hydrogènes revêt une importance capitale, du fait qu ils peuvent par leurs études, expliquer de nombreux phénomènes qui régissent certains mécanismes d inclusion [37]. La figure suivante montre la numérotation communément employées dans la chimie des cyclodextrines [32-36]. H 4 O 6 H O 4 H 2 O 1 H 1 OH 3 H 3 H 5 O 2 H O 4 Figure 4 : Numérotation et conformation des unités D-glucopyranose en liaison α- 1,

22 Chapitre I Les Cyclodextrines et leurs Domaines d Applications I.5 - Propriétés des Cyclodextrines : I.5.1- Détection : Les cyclodextrines ont la particularité de rester inchangés à un ph en dessous de 12, ce qui rend très difficile leur détection et leur analyse, pour cela de nombreuses méthodes ont été développées pour permettre leur détection ainsi que leur analyse [23]. La plus ancienne méthode pour la détection des cyclodextrines est basée sur la détection microscopique des cristaux iodés de l -cyclodextrine et cela après ajout d une solution iodée à la solution de base Amidon-CGTase [38,39]. Depuis lors, une multitude de méthodes ont été développées. Parmi ces méthodes on cite entre autres : la détection par la méthode spectroscopique [40], par la méthode polarimétrique [41], la chromatographie à couches minces [42], méthode de détection par HPLC [43,44] et par électrophorèse [45,46]. Toutes ces méthodes ont montré leur efficacité soit pour la détection des α, β, et γ-cyclodextrine, soit pour leur analyse. I.5.2- Solubilité : La position des groupements hydroxyles ainsi que la forme en cône rendent les cyclodextrines amphiphile avec deux zones de polarité distinctes. L extérieure de la CD favorise ainsi la solubilisation dans les solvants très polaires. En revanche, l intérieur de la cavité ou se trouvent uniquement les oxygènes intérglucosidiques, est moins polaire et plus hydrophobe. La formation de complexe suppose donc une bonne adéquation entre la taille de la molécule hôte et celle de la cyclodextrine. L'intérieur de la cavité apporte un micro-environnement lipophile dans lequel peuvent se placer des molécules non polaires. Ces molécules hôtes sont en équilibre dynamique entre leur état libre et complexé. La résultante de cette complexation est la solubilisation de molécules hydrophobes très insolubles dans la phase aqueuse. Ainsi les cyclodextrines sont capables de complexer en milieu aqueux et solubiliser les composés hydrophobes. Dans le tableau qui suit, nous donnons les principales propriétés physico-chimiques des cyclodextrines trouvées dans la littérature. -12-

23 Chapitre I Les Cyclodextrines et leurs Domaines d Applications Propriétés α-cd β-cd γ-cd Références Nombre de D- glucoses Formule brute (anhydre) C 36 H 60 O 30 C 42 H 70 O 35 C 48 H 80 O 40 - Masse (anhydre) atomique Longueur de la cavité A ± ± ±0.1 [32] - Diamètre de la cavité A [32] Diamètre extérieur A ± ± ±0.4 [32] Volume de la cavité (A 0 ) [32] pka,25 0 C [32] ΔH 0 (ionisation) Kcal.mol [47,48] ΔS 0 (ionisation) cal.mol -1.k [47,48] ΔH 0 (solution) Kcal.mol [49] ΔS 0 (solution) cal.mol -1.k [49] Solubilité(eau,25 0 C) mol.l [50] Solubilité (eau,25 0 C) g/l [50] Tableau 1 : Propriétés physico-chimiques des principales cyclodextrines -13-

24 Chapitre I Les Cyclodextrines et leurs Domaines d Applications Le caractère amphiphile des cyclodextrines leur confèrent la possibilité de former des complexes supramoléculaires en solution aqueuse avec une molécule invitée. Il existe dans la littérature de nombreux exemples de complexes d inclusion avec divers arrangements structuraux tels que des stœchiométries host-guest 1 :1 [51,52], 2 :1 [53-55], 1 :2 [56] et 2 :2 [57]. Toutes les valeurs du Tableau1 montrent une évolution régulière pour les séries α-cd, β-cd et γ-cd. Le pka, les enthalpies et les entropies d ionisation et les valeurs structurales concordent dans cette progression. Néanmoins, le comportement de la solubilité est très différent. Les CD s avèrent être moins solubles que sous forme d oligosaccharides acycliques et la β-cd est une anomalie parmi les trois CD. Les termes thermodynamiques en solution montrent que la solubilité relativement faible de la β-cd est associée à un ΔH 0 et un ΔS 0 moins favorable. Colman et al [58] attribuent la faible solubilité de la β-cd ayant une symétrie d axe 7, à l agrégation de β-cd entre elles due aux interactions défavorables de liaisons hydrogènes avec l eau. Ceci ne peut pas expliquer la haute solubilité de la γ-cd contenant 9 unités de glucose [59]. Szejtli [60] propose que les liaisons hydrogènes intramoléculaires des hydroxyles de la β-cd (plus rigide) soient responsables de sa faible solubilité (Figure 5). L α-cd et la γ-cd plus flexibles et ayant une, deux ou trois unités de glucose inclinées [61], ne contiennent pas cette ceinture continue de liaisons hydrogènes des hydroxyles secondaires (O2 et O3). Elles favorisent donc les liaisons hydrogènes avec le solvant, augmentant ainsi leur solubilité aqueuse. Pour la β-cd, l alkylation des hydroxyles augmente considérablement la solubilité, et ce phénomène, à priori étonnant, fait l objet d une recherche fondamentale importante depuis plus d une décennie [62].En effet, on substitua les hydrogènes des groupements hydroxyles de la β-cd par des groupements hydrophobes méthoxy ainsi que des groupements éthoxy, on remarqua que la solubilité de la β- cyclodextrine augmente de façon vertigineuse [63]. -14-

25 Chapitre I Les Cyclodextrines et leurs Domaines d Applications Figure 5 : Les liaisons hydrogènes intramoléculaires dans la β CD. En outre, les complexes d inclusion de la β CD avec des molécules invitées, présentent la particularité d avoir eux aussi une très faible solubilité en milieux aqueux [64], ce qui est un avantage. Ajoutez à cela, que les cyclodextrines qui sont chimiquement stables en milieu aqueux, peuvent être dégradées par la présence d acide fort dans le milieu [65]. Cependant, elles présentent une plus grande résistance comparée à celle des dextrines linaires. On remarque aussi, que cette dégradation diminue avec la décroissance de la taille des cavités de ces dextrines [66]. A cet effet, la β CD est la plus utilisée dans les mécanismes d inclusion. Son habilité à former des complexes, a été largement prouvée, et cela par de nombreuses études effectuées [67-69]. Notons enfin que les CDs sont biodégradables, ce qui, ajouté au fait qu elles sont produites à partir d une ressources renouvelables, constitue une autre caractéristique encourageant leurs utilisation. -15-

26 Chapitre I Les Cyclodextrines et leurs Domaines d Applications I.5.3- Flexibilité : Outre la propriété de solubilité, les α, β et γ-cyclodextrines qui sont les formes les plus abondantes et les plus utilisées, présentent des propriétés structurales qui sont propres a chacune d elles, même si elles ne sont pas très différentes. Ces propriétés structurales peuvent, dans certains cas, influencer le choix de la cyclodextrine, et cela du fait que certaines entités invitées, présentent des particularités structurales qui font que l inclusion dans une cavité étroite par rapport à leurs dimensions, leur est impossible. De nombreuse études menées sur la structure des cyclodextrines, ont émis l hypothèse que la structure des cyclodextrines de symétrie C n ( n = 6,7 et 8 pour 6, 7, 8 unités D-glucopyranose respectivement ) rendait la structure de ces dernières rigide [70,71], et cette hypothèse persista longtemps [72,73]. Mais la facilité avec laquelle se forment les complexes de cyclodextrines avec des molécules invitées de diverses formes [74], rend cette dernière peu crédible, aussi, des résultats obtenus par RMN du proton ( H 1 ) sur l inclusion de composés aromatiques à l intérieur des cyclodextrines, contredisent cette rigidité du fait, que l on n observe pas pour les protons du type (H -3) et (H -5) des signaux multiples qui sont caractéristiques des structures rigides [75]. L examen approfondi de la structure des cyclodextrines, ne soutient pas l hypothèse de leur rigidité, même si elles sont composées d unités D-glucopyranose relativement rigides, et qui sont liées entre elles par des liaisons du type α (1 4). Cela est dû au fait que l énergie de liaison est de l ordre de 4 kj /mol, ce qui rend la barrière énergétique de rotation interne assez basse [74], et donc, ils ne peuvent pas imposer la rigidité au macrocycle. Les complexes de cyclodextrines sont liés par des interactions intermoléculaires faibles, par conséquent, ces interactions peuvent limiter légèrement la flexibilité du macrocycle, mais ne peuvent pas doter les cyclodextrines d une rigidité totale. De nombreuses autres études expérimentales ont montré cette flexibilité. Ces études, basées sur la diffraction R X [71] a basses températures, ont montré avec précision la position des hydrogènes et de là, indiqué les différents changements dus au désordre des protons. L analyse des informations obtenues par l études des différents spectres pour une série de complexes de cyclodextrines, montre que la variation de température pour les angles de torsions des liaisons osidiques est de l ordre de ± 30 C, alors que celle -16-

27 Chapitre I Les Cyclodextrines et leurs Domaines d Applications caractérisant les angles de torsions pour le pyranoside est de l ordre de ± 7 C, ceci indique la flexibilité des liaisons osidiques (C - O C) par rapport a la rigidité relative des liaisons dans le pyranoside [76]. Toutes ces études contredisent l hypothèse de la rigidité des cyclodextrines dans les complexes, ajoutez à cela des études par spectroscopie vibrationnelle Raman, qui ont fourni la confirmation de la flexibilité des cyclodextrines dans ces complexes [44]. I.5.4- Toxicité : Le profil toxicologique des trois cyclodextrines naturelles les plus communes et de certains dérivés chimiquement modifiées a été souvent passé en revue. En générale, les cyclodextrines naturelles et leurs dérivées plus hydrophiles sont capables de passer à travers les membranes biologiques lipophiles, telles la cornée, les muqueuses ou la peau, mais avec de grandes difficultés [77,78], ceci est dû dans la plupart du temps à leurs poids moléculaires qui limite ce passage. Les cyclodextrines ont longtemps été accusées de provoquer des irritations lors de leur application cutanée [79], ceci étant lié directement à leur capacité à inclure les différents constituants des membranes biologiques. Ceci a été vite écarté car toutes les études de toxicité qui on suivit, ont démontré que l administration orale de cyclodextrines est nontoxique, ceci étant dû à la très faible absorption gastro-intestinale (0,1 à 3%). Le caractère hémolytique des cyclodexrines est très bien connu mais n apparait en fait qu a de forte concentration : en effet à faible concentration (5 m mol pour l α-cd et 10 m mol pour la β-cd) les cyclodextrines protègent les globules rouges contre l hémolyse osmotique, qui est induite par la chaleur, alors qu a forte concentration elles provoquent l hémolyse en complexant et relarguant le cholestérol des membranes cellulaires [80-82]. Cette action hémolytique est faible avec la γ-cd mais plus forte avec la α-cd et la β- CD. Cette propriété conditionne les effets des CD par voie intraveineuse ou intramusculaire. I.6 - Domaines d Applications des Cyclodextrines : Grâce à leur très faible toxicité [62], le champ d utilisation des cyclodextrines comme molécules hôtes (ou molécules cages) est très large. De nombreuses applications, qui utilisent en général la capacité complexante des CD avec un grand nombre de molécules invitées, se sont développées. Ceci est dû à leurs différentes propriétés, et plus particulièrement celles caractérisant les β Cyclodextrines, qui les rendent très largement -17-

28 Chapitre I Les Cyclodextrines et leurs Domaines d Applications employées. Nous allons voir par la suite l étendue de ces applications, et comment, avec le développement de la technologie cette dernière décennie, cette utilisation dans différents domaines, allant des plus simples au plus complexes, n a cessé de croître. Parmi ces domaines d application, on parlera de l Agroalimentaire et de l Alimentaire, de l Environnement, de la Cosmétologie, de l Analyse Chimique ainsi que de la polymérisation, et enfin de la catalyse et de la pharmacologie qui sont les deux objectifs de cette thèse. I.6.1- Domaine Agroalimentaire et Alimentaire: L industrie agroalimentaire a suscité un très grand intérêt, de ce fait, de nombreuses études ont été menées dans le but de promouvoir ce secteur qui est très important pour la survie de la race humaine. L un des soucis majeurs que rencontrent les agriculteurs est le problème des insectes nuisibles comme les criquets et autres, qui dévastent chaque année leurs récoltes. Pour palier à cela, l industrie des pesticides a connu elle aussi, un très grand développement, avec tous les inconvénients et les problèmes qui en découlent pour l environnement. A cet effet, l utilisation des complexes d inclusion de cyclodextrines pour leur capacité à diminuer les effets nocifs des pesticides ont été largement rapportés [83-86]. Les complexes utilisant la β-cd, ont suscité une attention particulière, du fait qu ils peuvent, d une part, stabiliser les pesticides, et d autre part, améliorer leur persistance [87-90]. Les pesticides organophosphorés sont les plus employés et cela pour leur grande efficacité. Mais ils présentent un inconvénient, qui est, celui d être très peu solubles. Pour cela l inclusion de ce composé à l intérieur de la β-cd augmente considérablement cette solubilité [91]. Les avantages de la β-cd ne se limitent pas seulement à cela, d autres études ont montré qu elle pouvait augmenter la réactivité ainsi que la mobilité d un nombre croissant de produits chimiques [92]. Dans l industrie alimentaire, les cyclodextrines ont trouvé de nombreuses applications. Elles forment des complexes d inclusion avec une variété de molécules comprenant des graisses, des arômes et des colorants. Elles sont utilisées pour supprimer et masquer les composants indésirables et pour protéger les arômes [93]. Ces arômes naturels et artificiels sont des huiles ou des liquides volatils, et leur complexation avec des cyclodextrines fournit une alternative prometteuse aux technologies conventionnelles d encapsulation pour leur protection. Par exemple, la complexation des édulcorants tels -18-

29 Chapitre I Les Cyclodextrines et leurs Domaines d Applications que l aspartame avec la cyclodextrines stabilise et améliore son goût, elle élimine également le goût amer d autre édulcorant tel que le rubusoside. Par exemple, les flavonoïdes et les terpénoïdes sont bons pour la santé en raison de leurs propriétés antioxydantes et antimicrobiennes mais ils ne peuvent pas être utilisés comme des produits alimentaires à cause de leur faible solubilité et leur goût amer [94]. I.6.2-Domaine Environnementale : Les cyclodextrines peuvent jouer un rôle important dans la science environnementale en termes de solubilisation des contaminants organiques, de l enrichissement et du déplacement des polluants organiques et des métaux lourds du sol, de l eau et de l atmosphère [95]. Les cyclodextrines sont également utilisées dans le traitement de l eau afin d éliminer les agents contaminants [96]. Les eaux usagées contenant des composés aromatiques tels que le phénol, le p-chlorophénol et le benzène, peuvent être débarrassées de ces produits par le traitement avec la β-cd [97], ce qui confère aux cyclodextrines un rôle important dans la protection environnemental. I.6.3-Utilisation en dépollution des sols : Les cyclodextrines présentent de bonnes caractéristiques pour être utilisées en dépollution des sols car : Elles sont considérées comme non-toxiques et biodégradables. Il n'y a pas de concentration minimale ou critique comme c est le cas pour les surfactants. Elles peuvent être chimiquement modifiées pour améliorer leur solubilité aqueuse. Leur coût est comparable aux surfactants usuels (bien que variable selon le type de cyclodextrine utilisée). Cette utilisation est actuellement en voie de recherche. Deux voies principales sont explorées : la bioremédiation et l'extraction. La première approche est étudiée depuis les années 80, tandis que la seconde a émergée dans les années 90. La bioremédiation consiste à profiter de la dégradation naturelle des polluants par les microorganismes du sol pour les nettoyer des contaminants. Cette biodégradation peut être lente et faible, -19-

30 Chapitre I Les Cyclodextrines et leurs Domaines d Applications dépendant fortement de la toxicité des contaminants et de la capacité des microorganismes à les atteindre : c'est la biodisponibilité. En effet les microorganismes vivent dans un milieu aqueux et se nourrissent donc de composés dissous dans l'eau ou présent à l'interface de ce milieu. Les polluants hydrophobes, sont très faiblement solubles dans l eau et donc très peu dégradés. Les cyclodextrines peuvent agir comme des surfactants éco-compatibles (pas d'altération de l'équilibre naturel de la flore bactérienne) pour améliorer fortement la biodisponibilité et donc la dégradation de molécules très peu solubles. Leur faible coût, leur biocompatibilité et leur effet accélérateur significatif, en font un choix pertinent pour des expériences de bioremédiation. Une autre approche de décontamination, est l'extraction des polluants. Cette méthode est traditionnellement réalisée à l'aide de surfactants ou dans certains cas de solvants organiques, qui servent à évacuer dans une solution de lavage les polluants. Ces produits étant plus ou moins toxiques pour l'écosystème du sol, leur remplacement par des cyclodextrines apparaît comme une amélioration majeure de ce procédé. Les recherches actuelles montrent leur réelle efficacité sur les molécules comme les HAP (Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques), les PCB (Polychlorobiphényles), les pesticides et probablement de manière générale sur les polluants hydrophobes. I.6.4-Domaine de la Cosmétologie: Dans l industrie cosmétique et dans la parfumerie, les cyclodextrines sont utilisées pour diminuer la volatilité des parfums et ainsi les relarguer instantanément en se reposant sur le phénomène de relargage contrôlé (controlled release), ce qui permet la stabilité, la protection et la diffusion des senteurs [98]. I.6.5-Domaine de l Analyse Chimique: En chromatographie, les cyclodextrines sont utilisées intensivement dans les séparations en raison de leur capacité de distinguer entre les isomères de position, les groupements fonctionnels et les énantiomères [99]. Cette propriété en fait un des agents les plus utiles pour une large gamme de séparation. -20-

31 Chapitre I Les Cyclodextrines et leurs Domaines d Applications Elles sont utilisées en tant que ligands chimiquement collés ou absorbés dans la phase stationnaire ou dans la phase mobile [100], pour cela, les séparations chirales sont un des domaines les plus importants de l application des CDs et de leurs dérivés [101]. Des travaux menés en HPLC à l aide de phase stationnaire chirale constituée de cyclodextrines (PSC cyclodextrines) pour la séparation chirale de divers composés azotés et plus précisément l enantioséparation de composés térazoles à activités antifongique à l aide d une PSC-βCD, ont été rapportés [102,103]. Ces travaux ont montré que la PSC-βCD possède un fort pouvoir énantioséléctif envers le tétrazole (diniconazole) et ses dérivés imidazolés (composés à propriétés antifongiques). Différents composés à activité antiépileptique ont été également séparés énantiomériquement par les cyclodextrines natives, hydroxypropylés ou sulfobutyléthérées [104,105]. I.6.6- L Application en Polymérisation : L utilisation de la β-cd comme molécule hôte en polymérisation est très largement répandue, et cela est dû, à sa facilité d accommodation avec différentes molécules invitées. L un des buts les plus attractifs qu un chimiste aspire à atteindre, est de pouvoir synthétiser des matériaux capables de remplir à la perfection le rôle d anticorps ou de récepteurs biologiques. Nombreux anticorps ont été synthétisés avec succès [106,107]. Ces synthèses se basent sur une technique de polymérisation des monomères comportant la fonction qui confère au polymère sa propriété. L une des études les plus intéressantes dans ce domaine, est la synthèse de récepteurs de cholestérol [108] qui sont des constituants indispensables à la bonne marche des cellules. Pour cela un monomère de cholestérol à été greffé sur les parois de la β-cd [109], ce qui a montré son aptitude à la formation de complexes du type 3:1 (1 cholestérol / 3 β-cd) et cela dans un solvant approprié [110]. On obtient par là, une longue chaîne de polymère à usage de récepteur. Cette chaîne de polymère est constituée d une série de complexes du type 3 :1 liés entre eux, tel que le cholestérol adsorbé au cours de la polymérisation est facilement éliminé par ajout d éthanol. Cette étude est intéressante, car l utilisation de ces récepteurs de cholestérol est très largement répandue surtout dans l industrie alimentaire [111]. -21-

32 Chapitre I Les Cyclodextrines et leurs Domaines d Applications Outre l utilisation de la β-cd pour la synthèse des polymères à usage de récepteurs, d autres polymères utilisant cette dernière, sont largement répandus et cela pour la séparation et l absorption de matériaux organiques [112,113], ainsi que pour la synthèse de certains catalyseurs très puissants [114]. Les hydrogels sont des composés hydrophiles qui contiennent généralement une fonction acide et qui peuvent retenir l eau sans être dissous pour autant [29]. De nombreuses études se sont focalisées sur ces hydrogels intelligents qui peuvent répondre aux différents stimulants externes [ ]. Une étude a montré que le greffage de composés d acide vinylique sur la face hydrophile de la β-cd pour l obtention du monomère de départ, donnait lieu à un hydrogel qui était très sensible à de grandes variations de température, de ph et de concentration ionique [121]. La synthèse de ces hydrogels à l aide de la β-cyclodextrine revêt un intérêt capital surtout, dans la recherche pharmaceutique et biomédicale [115], car elle ouvre un nouveau domaine peu exploité jusqu'alors. Ces études menées dans le domaine de la polymérisation, montrent que l utilisation de la β-cd pour ses propriétés afin d amorcer ces réactions, est très répondue, et que cela ouvrirai un large éventail à d autres études futures. I L Application en Catalyse : De nombreuses réactions chimiques ou biologiques ne peuvent être amorcées qu en présence de catalyseur, que ce soit des entités catalytiques chimiques [ ], ou enzymatiques [125,126]. Mais le rôle d un catalyseur ne se limite pas seulement a cela, il peu aussi au cours d un processus, accélérer une réaction. Ces dernières années, un grand développement dans le domaine de la catalyse à été caractérisé par l introduction de systèmes biphasiques. Ces systèmes comportent une phase organique et une phase aqueuse, dans lequel le catalyseur est immobilisé et cela grâce a l emploi de composés appropriés. Parmi ces composés, les cyclodextrines jouent un rôle important car elles contribuent à faciliter la réaction catalytique et donc, augmenter le rendement. L utilisation des CD dans les réactions biphasiques, constitue dans le cadre de la catalyse, un domaine d investigation très récent. Elles jouent le rôle de transporteur de matière entre les deux phases organique-aqueuse et cela par la formation d un -22-

33 Chapitre I Les Cyclodextrines et leurs Domaines d Applications complexe d inclusion entre un substrat insoluble en phase aqueuse et la CD, permettant ainsi sa solubilisation. De nombreux catalyseurs sont utilisés pour de telles réactions, les plus employés, sont les catalyseurs organométalliques hydrosolubles [127]. Le principe de la catalyse biphasique peut être schématisé comme suit : Produit Cyclodextrine Substrat Phase organique Phase aqueuse HRh(CO)(TPPTS) 3 CO/H 2 Figure 6 : Principe de la catalyse biphasique aqueuse [128]. L utilisation dans la catalyse des métaux de transition en milieu aqueux, a fait l objet cette dernière décennie d un intérêt croissant [129,130], car il a été montré que ces composés amélioraient l activité catalytique d une part, et d autre part, ils pouvaient la stabiliser. Pour cela, ils sont généralement utilisés dans l hydrogénation de substances insaturées telles que les acides carboxyliques [124], ainsi que dans l Hydroformylation des oléfines [19], qui est un bon moyen pour l obtention des aldéhydes ainsi que les alcools [131,132]. Certains métaux de transition ne sont pas employés seuls mais en présence d autres composés qui contribuent à une meilleure activité lors de la réaction. Ces composés -23-