GENERALITES SUR LES CYCLODEXTRINES (S. Fourmentin-Lamotte)

I.      Historique de la découverte des cyclodextrines

Les cyclodextrines (CD), également appelées dextrines de Schardinger ou cycloamyloses, ont été isolées la première fois par Villiers[i] en 1891. Il met en évidence deux produits ayant des propriétés physico-chimiques proches de la cellulose (l’a- et la b-cyclodextrine).

En 1903, Schardinger[ii] isole le premier microorganisme (Bacillus macerans) capable de former la cyclodextrine glucosyl transférase (CGTase), l’enzyme permettant la dégradation de l’amidon en cyclodextrine. Celle-ci reste à ce jour la source d’enzyme la plus fréquemment utilisée pour produire les cyclodextrines[iii].

La structure cyclique des cyclodextrines a été décrite par Freudenberg et al.[iv] en 1936. Ils ont publié la description et la préparation des deux oligosaccharides cycliques (a- et b-CD) ainsi que de la
g-cyclodextrine en 1948[v]. En 1957, French[vi] découvre les d- et e-cyclodextrine (9 et 10 unités de glucose) et Thomas et Stewart[vii] en 1965 les x- et h-cyclodextrines (11 et 12 unités de glucose). Les études de French[viii] établissent la structure chimique exacte, les dimensions, la masse moléculaire des différentes cyclodextrines et la nature des liaisons. Cramer[ix] découvre que la forme toroïdale des molécules de cyclodextrine leur permet d’accueillir d’autres molécules à l’intérieur de leur cavité.

II.   Structure et propriétés des cyclodextrines

II.1. Structure

Les cyclodextrines sont des oligosaccharides cycliques non réducteurs constitués généralement de 6 à 12 motifs de glucose de conformation 4C1 reliés entre eux par des liaisons a(1®4). Les trois cyclodextrines les plus rencontrées comportent 6, 7 et 8 unités glucosidiques, et sont nommées respectivement a-, b- et g-cyclodextrine. Il existe de nombreuses nomenclatures pour ces composés : ainsi la b-cyclodextrine peut être désignée par les termes b-dextrine de Schardinger, cyclomaltoheptaose, cycloheptaglucane, cycloheptaamylose ou encore cyclo-a(1®4)-glucoheptaoside.

Les cyclodextrines ont attiré l’attention des chercheurs grâce à leurs propriétés spécifiques qui sont principalement dues à leurs structures uniques. Ces molécules se présentent sous une forme conique tronquée dont les dimensions varient selon le nombre d’unités de glucose. La face la plus étroite est constituée par les groupements hydroxyles primaires (un par glucose en position C6) alors que les groupements hydroxyles secondaires (en position C2 et C3) sont situés à l’opposé sur la partie large de la couronne (figure 1).

Figure 1 : Représentation des a-CD (n=6), b-CD (n=7) et g-CD (n=8).

 

La proximité des deux types d’hydroxyles secondaires conduit à la formation de liaisons hydrogène intramoléculaires, et ce d’une unité de glucose à une autre. De telles liaisons conduisent à une stabilisation du macrocycle. Ce phénomène est particulièrement important dans le cas de la b-CD.

Les cyclodextrines se présentent sous une forme cristalline blanche. Leurs dimensions et certaines caractéristiques physico-chimiques[x] sont présentées dans le tableau 1 :

 

Caractéristiques

a-CD

b-CD

g-CD

Nombre d’unités

6

7

8

Masse molaire (g/mol)

972,9

1135

1297,1

Volume de la cavité (Å3)

174

262

427

Diamètre de la cavité (Å)

4,7-5,3

6,0-6,5

7,5-8,3

Diamètre de la périphérie (Å)

14,6 ± 0,4

15,4 ± 0,4

17,5 ± 0,4

Hauteur du cône (Å)

7,9 ± 0,1

7,9 ± 0,1

7,9 ± 0,1

Nombre de molécules d’eau dans la cavité

6-8

11-12

13-17

Solubilité dans l’eau à 25°C (g/100mL)

14,5

1,85

23,2

Température de fusion (°C)

275

280

275

pKa à 25°C

12,3

12,2

12,1

Pouvoir rotatoire

+150,5

+162,5

+177,4

Tableau 1: Principales caractéristiques physico-chimiques des cyclodextrines

 

Pour plusieurs raisons (prix, disponibilité, approbation, diamètre de cavité…), la b-CD est la plus couramment employée et représente au moins 95% de la production de cyclodextrines.

II.2. Propriétés

Le caractère hydrophile de l’extérieur du cône est dû à la présence des groupements hydroxyles alors que l’existence des protons H3 et H5 et des ponts osidiques à l’intérieur du macrocycle confère à la cavité un caractère apolaire. La surface hydrophile fournit une relativement bonne solubilité dans l’eau et la cavité produit un environnement favorable pour une molécule hydrophobe.

Dès lors, la caractéristique la plus intéressante des cyclodextrines est certainement leur capacité à former des composés d’inclusion[xi]. Les cyclodextrines sont en effet capables d’accueillir dans leur cavité une molécule, dite « invité » ou « substrat ». L’invité est maintenu à l’intérieur de la cavité par des forces non covalentes de type interactions hydrophobes, électrostatiques, de van der Waals, liaisons hydrogène.

D’un point de vue géométrique, l’inclusion va dépendre de la taille relative de la cavité de la cyclodextrine par rapport à la taille de la molécule invitée : si l’invité est de taille trop importante, il ne pourra pas pénétrer à l’intérieur de la cavité de la cyclodextrine, par contre, si sa taille est trop petite, il aura peu d’interactions avec la cyclodextrine. L’effet stérique joue donc un rôle important dans le phénomène de complexation. Aussi, l’a-CD complexe plus facilement des petites molécules comme des chaînes aliphatiques, la b-CD peut complexer les composés aromatiques ou les hétérocycles et la g-CD s’accommode de grandes molécules comme les macrocycles et les stéroïdes.

 

La principale force gouvernant l’inclusion, dans le cas d’une complexation en solution aqueuse, est le remplacement des molécules d’eau hautement énergétiques contenues dans la cavité par l’invité, comme nous pouvons le voir sur la figure 2.

 

Figure 2 : Représentation du phénomène d’inclusion

 

La complexation s’accompagne donc d’une désolvatation de la molécule invitée et de la cavité de la cyclodextrine. Ces molécules d’eau sont ainsi transférées dans la solution tandis que l’invité rentre en interaction avec l’intérieur de la cyclodextrine. La libération des molécules d’eau entraîne une augmentation de l’entropie du système (DS°>0). Toutefois, les effets hydrophobes compensent les effets défavorables (désolvatation des substrats) et conduisent à un changement d’enthalpie négatif (DH°<0).

III.      Etude des complexes d’inclusion.

Les cyclodextrines sont capables de former des complexes d’inclusion avec de nombreux composés tels que des sels inorganiques, des gaz, des molécules organiques, des molécules organométalliques, des polypeptides…

Selon la nature de la cyclodextrine et de l’invité, un complexe d’inclusion possède des propriétés propres comme sa stœchiométrie, sa constante d’association et sa structure spatiale.

III.1.  Stœchiométrie.

L’association entre la molécule hôte (CD) et l’invité (I) est un équilibre chimique en solution. Cette association a lieu entre une ou plusieurs molécules hôte et invitée. On définit la stœchiométrie d’un complexe d’inclusion par le rapport a:b, a et b étant les coefficients stœchiométriques respectifs de la cyclodextrine et de l’invité dans l’équilibre chimique suivant :

 

(1)

Il existe dans la littérature de nombreux exemples de complexes d’inclusion avec divers arrangements structuraux comme des stoechiométries « hôte/invité » 1/1[xii], 2/1[xiii]; 1/2[xiv] et 2/2[xv] représentées sur la figure 3.

Figure 3 : Représentation de différents types de complexes « hôte/invité »

 

Différentes techniques peuvent être utilisées afin de mettre en évidence la stoechiométrie des complexes d’inclusion, comme la spectrométrie de masse électrospray ou encore la méthode des variations continues ou de Job[xvi].

III.2.  Constante de formation

La stabilité d’un complexe d’inclusion est fonction de plusieurs paramètres : la taille de la cyclodextrine, la nature du substrat, le milieu réactionnel… Il est possible de comparer la force relative de plusieurs complexes au moyen de la constante de formation Kf.

 

                                                                                                                                                                     (2)

                CD, I et CD/I représentent respectivement la cyclodextrine, l’invité et le complexe d’inclusion. Le calcul de la constante requiert la connaissance de la stœchiométrie. Plus la valeur de Kf est élevée, plus le complexe est stable.

De nombreuses techniques expérimentales permettent le calcul de la constante d’association, on peut citer : la chromatographie[xvii], les méthodes potentiométriques[xviii], la mesure de tension de surface[xix], la microscopie à force atomique[xx], la spectrométrie de fluorescence[xxi] ou phosphorescence[xxii], la spectroscopie UV-visible[xxiii], l’headspace statique[xxiv] ou encore la spectrométrie RMN[xxv]

Références :



[i] Villiers A. Compt. Rend. Hebd. 1891, 112, 536

[ii] Schardinger F. Wien. Klin. Wochsch. 1904, 17, 207.

[iii] Singh M., Sharma R., Banerjee U.C. Biotechnology Adv. 2002, 20, 341.

[iv] Freundenberg K., Blomquist G., Ewald L., Soff K. Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1936, 69, 1258.

[v] Freudenberg K., Cramer F. Z. Naturforsh 1948, 3, 464.

[vi] French D. Adv. Carbohydr. Chem. 1957, 12, 189.

[vii] Thoma J.A., Stewart L., Starch, Chemistry and Technology I, Wistler R.L. and Paschall E.F. (eds), Academic Press, New York, 1965.

[viii] French D., Levine M.L., Pazur J.H., Norberg E. J. Am. Chem. Soc. 1949, 71, 353

[ix] Cramer F. Einschlussverbindungen, Springer Verlag, Berlin, 1954.

[x] Easton C.J., Lincoln S.F., Modified Cyclodextrins, Imperial College Press, London, 2000.

[xi] Del Valle E.M.M. Process Biochemistry 2004, 39, 1033.

[xii] Tabushi I., Yamamura K., Fujita K., Kawakubo H. J. Am. Chem. Soc. 1979, 101, 1019.

[xiii] Ueno A., Yoshimura H., Saka R., Osa T. J. Am. Chem. Soc. 1979, 101, 2779.

[xiv] Atwood J.L., Barbour L.J., Raston C.L., Sudria I.B.N. Angew. Chem., Int. Ed. 1998, 37, 981.

[xv] Hamai S. Recent Res. Devel. Photochem. Photobiol. 1999, 3, 1.

[xvi] Job P. Ann. Chim. 1928, 9, 113.

[xvii] Ravelet C., Geze A., Villet A., Grosset C., Ravel A., Wouessidjewe D., Peyrin E. J. Pharm. Biomed. Anal. 2002, 29, 425.

[xviii] Retna Raj C., Ramaraj R. Electrochimica Acta 1998, 44, 279.

[xix] Lu R., Hao J., Wang H., Tong L. J. Incl. Phenom. Molec. Recog. 1997, 28, 213.

[xx] Schönherr H., Beulen M.W.J., Bügler J., Huskens J., Van Veggel F. C. J. M., Reinhoudt D.N., Vancso G.J. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 4963.

[xxi] French R.R., Holzer P., Leuenberger M., Nold M.C., Woggon W-D. J. Inorg. Biochem. 2002, 88, 295.

[xxii] Li N.B., Liu S.P., Luo H.Q. Anal. Chim. Acta 2002, 472, 89.

[xxiii] Hirose K. J. Incl. Phenom. Macro. Chem. 2001, 39, 193.

[xxiv] Szaniszlo N., Fenyvesi E., Balla J. J. Incl. Phenom. Macro. Chem. 2005, 53, 241.

[xxv] Pean C., Créminon C., Grassi J., Pradelles P., Perly B., Djedaïni-Pilard F. J. Incl. Phenom. Macro. Chem. 1999, 33, 307.