Les tensioactifs, éléments clés des systèmes moléculaires organisés plurimoléculaires

Les Systèmes Moléculaires Organisés Plurimoléculaires ou encore S.M.O.P. (micelles, microémulsions, cristaux liquides, liposomes, etc.) exigent prioritairement la synthèse de molécules tensioactives dont la conception est fonction des systèmes et des propriétés que l’on souhaite obtenir. En effet, nombreuses sont les applications de ces milieux microhétérogènes aussi bien en chimie de synthèse qu’en physique et en biologie.

Cette conception finalisée des molécules tensioactives est rendue efficace par la mise au point de méthodes de synthèse modulaires ainsi que par la généralisation de la notion même de tensioactif : soit par la juxtaposition de deux fragments différents et de l’emploi de solvants sélectifs pour un des deux segments (exemple des molécules RF- RH), soit encore par l’emploi de différents solvants structurés (eau, mais encore formamide, glycérol, N-méthyl sydnone, etc.).
Les caractéristiques de la Chimie Supramoléculaire s’appliquent ainsi aux S.M.O.P. : Reconnaissance ( par exemple entre dérivés fluorés), Transport (solubilisation en biologie), Catalyse (en synthèse organique).

Les systèmes Moléculaires Organisés Plurimoléculaires (S.M.O.P.) peuvent se former spontanément dans l’eau quand des substrats convenables sont dissous dans ce liquide. Dans ce cas, la meilleure façon de forcer les assemblages à s’établir consiste à utiliser les interactions hydrophobes. Nous devons donc pour créer de tels assemblages, rechercher des solutés hydrophobes. Quatre familles de composés organiques possèdent ces caractéristiques :

1 - Les molécules tensioactives, que nous allons développer plus particulièrement ci-dessous.
2 - Certains composés hétérocycliques, plans, naturels du type des bases puriques ou pyrimidiques, ou de synthèse comme les phénothiazines, dont l’organisation se fait par empilement (ou stacking) des cycles.
3 - Des systèmes polycycliques non plans, comme des dérivés des stérols, dont la distribution des groupes polaires crée deux parties de solubilité antagoniste de part et d’autre du plan moyen des cycles.
Des agrégats de quelques molécules puis des "agrégats d’agrégats" se forment ainsi à l’exemple des micelles de sels biliaires dont le centre hydrophobe en dissolvant les graisses permet leur émulsification.
4 - Les polymères hydrosolubles, naturels (protéines) ou de synthèse, dont le repliement en pelotes hydrophobes s’oppose aux, ou accompagne les associations intermoléculaires : c’est ainsi que dans l’hémoglobine, 4 protéines sont associées par des forces intermoléculaires.

Compte tenu de leurs applications multiples en physique, chimie ou biologie, ce sont les composés de la première famille qui constituent les éléments clés de ce type d’association. Les tensioactifs apparaissent comme le groupe de substances qui, par leurs modulations de structure, leur disponibilité, leur versatité, permettent d’obtenir des systèmes moléculaires organisés de taille, de formes et de fonctions multiples. C’est ce jeu du chimiste qui, à partir du système recherché remonte à l’espèce chimique tensioactive que l’on se propose de décrire.

Les tensioactifs ou surfactifs

Molécules amphiphiles, possédant à la fois une partie hydrophile et une partie hydrophobe, les tensioactifs, sous leur forme la plus simple, comprennent une tête polaire et une queue hydrophobe.
En fait, le chimiste de synthèse est tout de suite sollicité par le grand nombre de modulations structurales qu’il peut réaliser à partir de ce thème. En généralisant la notion de tensioactifs à l’ensemble des molécules de la chimie organique, on peut imaginer de rendre amphiphile tout corps hydrophobe aux fonctionnalités convenables. Nous pouvons ainsi décrire des molécules plus complexes où l’on fait apparaître des modules interchangeables [I] (fig. 1).
Partant de cette idée nous avons mis au point des "Synthons" à partir desquels nous avons pu construire un grand nombre de molécules amphiphiles dont les éléments moléculaires ont été associés à la façon d’un jeu de Lego chimique !
Comme exemple de "synthèse modulaire", on peut citer la préparation
de réactifs de type Wittig fonctionnels :

qui permettent d’introduire des têtes ammonium quaternaires sur un composé cétonique : stérol, adamantanone, ferrocènes, etc. [2].
ou encore des réactifs de Wittig "presque" perfluorés

permettant la formation d’amphiphiles à queues perfluorées dont les propriétés particulières seront recherchées dans des domaines d’applications très vastes allant des agents extincteurs aux transporteurs d’oxygène [3].
Ces "constructions moléculaires" peuvent être encore plus complexes : deux ou trois queues hydrophobes peuvent ainsi être introduites sur un même corps ; on peut fixer de cette façon des têtes plus grosses (ou plus petites) que la largeur moyenne du corps, mélanger des parties fluorées à des parties hydrogénées, etc.
De nombreux tensioactifs naturels peuvent aussi servir d’exemples aux chimistes de synthèse et exciter leur imagination. A cet égard, les membranes biologiques sont un matériel de choix pour se livrer à ces réflexions. Généralement constituées par des molécules amphiphiles à 2 queues, ces dernières offrent un grand nombre de particularités qui peuvent être explorées.

Citons quelques exemples :
- Les membranes des cellules des animaux qui hibernent sont, comme pour la plupart des animaux (et des humains!), constituées essentiellement d’une double couche d’amphiphiles. Ces organisations moléculaires sont bien ordonnées et si les structures des phospholipides qui les constituent étaient également bien homogènes, il en résulterait un phénomène de cristallisation à basse température qui entraînerait la mort de l’animal. Les marmottes, ours et autres animaux qui hibernent, ont résolu ce problème en construisant leurs membranes à partir de phospholipides dont les chaînes ne sont pas homogènes de façon à créer un désordre local empêchant la cristallisation. Quelques motifs structuraux peuvent ainsi être décrits (fig. 2).

Ces motifs, reproduits de façon synthétique, peuvent permettre l’étude d’agrégats à basse température. Les synthons précédemment décrits ont permis ainsi d’introduire, par exemple, des insaturations dans les chaînes et de voir leur rôle dans la formation des agrégats.

- A l’opposé certaines bactéries arrivent à survivre à plus de 100°C. A ces températures, les membranes normales se désorganisent. Pour éviter cela, les archéobactéries (à l’origine des bactéries actuelles ou à la suite de leur évolution ?) ont des membranes constituées par des phophoslipides à 2 têtes réunies par 2 queues.

Il s’agit ici de molécules dites bolaformes qui empêchent la destruction des membranes par chauffage et que l’on peut mimer de manière synthétique.

- Enfin, les membranes comprennent un grand nombre de molécules amphiphiles dont 1a partie polaire est constituée par une tête sucre. Celle-ci mono- ou polysaccharide, joue un rôle beaucoup plus important que d’apporter l’hydrosolubilité à l’ensemble amphiphile qu’elle constitue : de nombreux phénomènes de reconnaissance lui sont attribués.

Utilisant ces sucres que la nature nous fournit généreusement, nous les avons (ainsi que d’autres équipes françaises) introduits dans des ensembles hydrophobes pour en faire des têtes polaires constitutives des nouveaux tensioactifs [4] : (fig. 3).

Là encore les modulations sont nombreuses : lactose, glucose, etc. comme sucres, chaînes hydrocarbonées plus ou moins longues, chaînes perfluorées [5] ou encore molécules bolaformes [6] (fig. 4).

Toutes ces molécules (tête sucre + queue hydrophobe) sont les éléments les plus représentatifs de la catégorie des tensioactifs dits "non ioniques", la tête de ceux-ci étant constituée par un enchaînement polaire non chargé.
Au plan synthétique cela est aussi réalisé par des enchaînements de polyoxyéthylène avec un défi qui consiste à fabriquer des substances dites monodisperses dont le nombre de groupes "oxyde d’éthylène" est parfaitement défini [7].

Les autres catégories de tensioactifs classiques, comprennent les dérivés ioniques (dont les ammoniums quaternaires sont une illustration) et les dérivés zwitterioniques.

Nous avons pour notre part, introduit une nouvelle classe de tensioactifs appelés mésoioniques dont la tête ne peut être décrite que par un ensemble de formes mésomères. Les N-alky sydnones constituent l’exemple le plus typique de cette catégorie [8] :

1. En remplaçant l’eau par un solvant polaire cohésif
- à liaison H, comme avec le formamide HCONH2 [9]
- à fort moment dipolaire, comme la N-Méthyl Sydnone (NMS [10])
Dans ce cas, certaines substances insolubles dans l’eau, deviennent des amphiphiles et se micellisent ans ce solvant. C’est le cas par exemple des sels de phosphonium, réactifs de Wittig décrits ci-dessus, qui sont des tensioactifs dans le formamide, et non dans l’eau [11].

2. En préparant des substances ayant deux parties à comportement différent vis-à-vis d’un solvant déterminé.

Ainsi les composés à chaînes perfluorées sont peu solubles dans les solvants organiques à chaînes hydrocarbonées et réciproquement. Les molécules mixtes RF-RH conduisent à la formation d’agrégats lorsqu’on les dissout dans l’un ou l’autre solvant [12].

Ces derniers exemples montrent que la formation des systèmes organisés par assemblages multi-moléculaires est générale et qu’elle peut être étendue à de nombreuses structures ou à différents solvants. Cette généralisation de la notion de tensioactifs élargit leurs applications aussi bien en chimie, qu’en physique et en biologie. Et nous allons illustrer ces applications par quelques exemples.

La synthèse chimique et les systèmes moléculaires organisés

Depuis plusieurs années, nous avons étudié un grand nombre de synthèses organiques dans les S.M.O.P. :
- formations de photodimères [13].
- photo-isomérisations [14].
- fonctionnalisation d’oléfines (amidation et oxydation) [15]., [16] .
- préparation de polymères [17].

Nous avons aussi montré qu’il existe des relations entre la structure du milieu et la préparation des produits :
- l’amidation n’intervient qu’en microémulsion bicontinue [18].
- la stéréochimie des polynorbornènes formés par métathèse dépend de la nature directe ou inverse des micelles utilisées [19].

Un exemple, en cours d’optimisation, nous paraît illustrer au mieux les potentialités de ces systèmes : il s’agit de la formation de grands cycles ; on connaît l’intérêt de ces cycles qui peuvent être, à leur tour à l’origine de systèmes moléculaires organisés mais de type hôte invité. La technique la plus classique utilise des composés bifonctionnels, cyclisés à faible concentration, méthode dite des hautes dilutions, pour éviter les polymérisations.

A partir des aminoacides, par exemple, Mukaiyama réalise ces cyclisations en utilisant l’iodure de N-méthyl-2-chloropyridinium comme agent d’activation du carboxyle. En remplaçant celui-ci par l’iodure de N-hexadécyl-2-chloropyridinium, amphiphile qui forme des micelles inverses dans les solvants organiques, nous avons pu cycliser les aminoacides en lactames correspondants en évitant les hautes dilutions nécessaires dans le cas du réactif de Mukaiyama et avec des rendements doublés par rapport à celui-ci [20].

Le procédé met en jeu un effet micellaire dû à l’auto-organisation du N-hexadécyl-2-chloropyridinium et de l’aminoacide. Le solvant est choisi de façon a ce que les substrats soient substrats soient solubles seulement à l’interface du système micellaire (fig. 5).

Le schéma de la figure 5 représente la localisation des partenaires tandis que la réaction qui intervient est résumée à la figure 6.

Cet exemple est significatif à plusieurs égards, en particulier :

- il montre l’influence d’un système organisé sur l’orientation d’un processus (isolement et orientation des monomères limitant polymérisation),
- il illustre le principe d’économie moléculaire que nous avons précédemment énoncé : le réactif est en même temps l’un des constituants du SMO

Phénomènes physiques et objets colloïdaux en milieux structurés non aqueux

L’utilisation du formamide ou de la N-méthyl sydnone comme "substituts" de l’eau, nous a conduits, en collaboration avec une équipe de physiciens, à montrer la possibilité de former des micelles, des microémulsions et des cristaux liquides lyotropes dans ces milieux [21]. A la faveur de ces travaux, la notion de couple adapté "tensioactif-solvant" nous est apparue comme indispensable à la compréhension de ces phénomènes.

Nous avons aussi pu définir les meilleures conditions pour obtenir des objets plus complexes dans le formamide. Successivement, nous avons ainsi observé dans ce solvant :
des vésicules [22] à partir de molécules amphiphiles du type bromure de diméthyldiakylammonium ou bolaformes de structure :

Des liposomes à l’aide de phospholipides [23]. Ces liposomes sont stables et plus gros que dans l’eau (voir photo de liposomes en attente).
Des gels grâce aux N-fluoroalkylgluconamides [24]. Insolubles dans l’eau, ces composés se solubilisent dans le formamide et leurs solutions chauffées à 155° C, puis refroidies par trempe à O°C, conduisent à la formation de gels transparents et cela à ces concentrations très faibles (2%).

L’étude par microscopie électronique montre que ces gels sont formés de fibres et que l’on peut observer dans les images directes (sans acétate d’uranyle) la présence de formes cycliques analogues morphologiquement aux plasmides (voir photos de gels : figures 7, 8, 9)

Un problème biologique important : l’extraction des protéines membranaires

Les protéines membranaires sont souvent fortement associées aux phospholipides. Elles ne peuvent être solubilisées qu’en disloquant la membrane avec des tensioactifs.
La solubilisation exige aussi, afin de permettre des études structurales, qu’elle soit effectuée sans perturber la structure native de la protéine. Le milieu dans lequel a lieu la solubilisation doit donc être capable de simuler l’environnement initial de la protéine, environnement constitué par la bicouche lipidique.
Le choix des tensioactifs est donc crucial car ils ne doivent pas dénaturer les protéines, être bien définis (pour permettre la reproductibilité des résultats), être largement solubles dans les milieux tampons, posséder un poids moléculaire faible et une CMC relativement élevée et, enfin, ils ne doivent pas interférer avec les méthodes de dosage ou de purification des protéines. Les tensioactifs à tête sucre répondent parfaitement à toutes ces exigences.
En particulier, les N-alkylaminolactitols que nous avons synthétisés offrent ainsi toutes les caractéristiques physicochimiques requises pour la solubilisation des protéines membranaires auxquelles s’ajoutent un prix de revient faible et une très bonne pureté.
Nos premiers essais ont porté sur l’extraction des récepteurs aux substances opioïdes. Sites de reconnaissance de dérivés morphiniques endogènes, ces récepteurs sont localisés dans les membranes des cellules du cerveau. A partir de cerveaux de batraciens nous avons pu montrer que le N-nonylaminolactitol donne de meilleurs résultats que les produits préalablement utilisés pour ces extractions [25] D’autres essais, sur d’autres protéines conduisent à retenir, dans cette série de tensioactifs, d’autres longueurs de chaînes (dodécyl, décyl, etc.). Cela montre la nécessité de tester des séries de molécules afin de sélectionner la mieux adaptée à chaque cas : cela apporte une justification supplémentaire à nos méthodes de synthèse modulaire. (fig. 10).

Ces "kits" de tensioactifs où, tout en maintenant constante la tête polaire, on fait varier la longueur de la chaîne hydrophobe (ou inversement), seront donc certainement utiles à l’avenir. Les modulations de structure des sucres laissent entrevoir également la possibilité d’ajouter aux propriétés amphiphiles générales et classiques, celles liées aux phénomènes de reconnaissance moléculaire laissant espérer une sélectivité plus importante.

Conclusion

L’autoassemblage de molécules tensioactives en S.M.O.P. dépend, qu’il s’agisse de la morphologie des objets formés ou de leurs propriétés, de la structure des molécules constitutives. Comme dans toute démarche de la Chimie Supramoléculaire, on doit choisir cette structure en fonction de la nature du système recherché. Il s’agit donc d’un domaine largement pluridisciplinaire où le chimiste de synthèse en coordination avec des physico-chimiques, des physiciens ou des biologistes, conçoit et synthétise des espèces dont on peut ensuite maîtriser l’association pour obtenir la fonction choisie.

Isabelle Rico-Lattes, Armand Lattes
Interactions moléculaires et réactivité chimique et photochimique