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1- Introduction
Les porphyrines et metalloporphyrins ont un très grand intérêt
biologique. En effet, elles constituent une partie fonctionnelle essentielle
de certaines macromolécules des protéines qui sont indispensables aux
divers processus d'oxydation naturels.
La porphyrine combinée au fer est l'hème ; c'est un constituant de
base des hémoglobines et des myoglobines, qui sont les transporteurs
d'oxygène atmosphérique.
Les chlorophylles sont, elles aussi, des porphyrines naturelles ; le
noyau porphyrinique est combiné avec l'ion Mg² +. Dans le cas de la
vitamine B12, le coeur de la porphyrine contient un atome de cobalt. Une
porphyrine métallée au cuivre, peut servir de catalyseur, lors des
réactions d'hydrogénation.
Des composés porphyriniques occupent des fonctions
physiologiques fondamentales, dans toutes les cellules vivantes (aussi
bien végétales qu'animales). C'est pourquoi, on pense que les premiers
maillons de la chaîne évolutive ont été les porphyrines, celles-ci ayant
été synthétisées à partir de composés organiques simples, et ce par voie
abiogénétique, et qu'elles ont permis la naissance et l'évolution des êtres
vivants.
En effet, étant donné que les chlorophylles (a et b) sont toutes deux
des porphyrines, on peut donc dire que les utilisations des porphyrines
par la nature est très répandue ; c'est la photosynthèse.
En ce qui concerne les biochimistes et les médecins, les
porphyrines sont toujours très importantes mais pour d'autres raisons, et
en pathologie surtout : les porphyries. Ce sont une série de maladies
caractérisées par la surproduction des porphyrines libres qui ne sont pas
liées à un métal. De plus, l'étude et l'analyse et le dosage des
porphyrines (dans les urines surtout) permettent d'effectuer le
diagnostique d'un grand nombre d'affections diverses ; par exemple dans
le cas d'intoxications par le plomb.
1
2-synthèse de porphyrine
a) définition de porphyrine
Le noyau porphyrinique
C20H14N4
Les porphyrines sont des dérivés tétra pyrroliques cycliques
Spectre RMN de porphirin
2
Le noyau porphyrinique est formé de la réunion cyclique, de quatre noyaux de
pyrrole,
reliés
par
des
ponts
méthènes,
en
position
méso
(=CH--). Deux des quatre atomes d'azote sont porteurs d'un hydrogène, de même
que les carbones aux sommets (carbones pyrroliques en position .
b-Caractéristiques chimiques de porphyrine
les porphyrines sont des pigments, de plus, elles présentent, toutes, à l'état
libre et en lumière ultra-violette (356nmplus précisément), une superbe fluorescence
rouge (quelques fois rose fluo) nettement décelable pour une solution même peu
concentrée (50 à 1000 millionièmes). C'est un caractère analytique qui leur est très
précieux.
C-Préparation de porphyrine

naturelle
Des synthèses organiques ont fourni, à partir d'hydrocarbures et
d'ammoniaque, un acide aminé, la glycine, ainsi que l'acide succinique, c'est-à-dire
deux molécules initiales dans la synthèse des porphyrines. Leur union aboutit
d'abord aux molécules de pyrrole (HC)4NH (cyclique) qui groupées par quatre,
donnent des substances complexes : les porphyrines.
Ces pigments ont un rôle important étant donné qu'ils sont à la base des
chlorophylles, de l'hémoglobine, ainsi que des transporteurs d'électrons des
mitochondries.

Préparation synthétique
Les voies de synthèses ont évolué au cours du temps, mais les constituants de
base sont les mêmes : le pyrrole et un aldéhyde.
Par exemple, pour les tétraphénylporphyrines (TPP) :
3
1. Méthode de Dorough (1951)
La réaction est la même que ci dessus, mais les produits de départ sont purifiés
par distillation. De plus, on ajoute un sel métallique.
Le rendement s'en est trouvé amélioré, mais les causes de cette amélioration
sont inconnues.
2. Méthode d'Alder-Longo (1964)
4
Figure I. 3. Synthèse de la méso-tétraphényl-porphyrine (TPP) selon Adler et
Longo.
Cette méthode consiste à condenser quatre équivalents de pyrrole avec quatre
équivalents de benzaldéhyde, en solution dans de l'acide propionique, en
chauffant à 141°C, le tout à l'air libre. En effet, Adler et Longo ont établi que le
rendement de cette réaction dépendait de l'acidité du milieu, de la température
(élevée) et de la concentration initiale des réactifs. La condensation des deux réactifs
conduit à la formation d'un intermédiaire, un porphyrinogène, qui est directement
oxydé en porphyrine du fait de la présence d'oxygène dans le milieu (Figure I. 3).
Dans le cas de la synthèse de la méso-tétraphényl-porphyrine (TPP), celle-ci
est obtenue au bout de 30 minutes avec un rendement de l'ordre de 20%. Mais cette
méthode présente des inconvénients ne permettant pas la synthèse de toutes les
porphyrines désirées. En effet, elle ne s'applique pas à l'utilisation de benzaldéhydes
portant des groupes sensibles à la température ou ionisables. De plus, concernant la
purification, celle-ci se fait par cristallisation ou précipitation dans l'acide propionique.
Ceci exclut donc certains types de porphyrines. Un autre inconvénient est le fait que
le rendement est souvent non reproductible
.3. Méthode de Lindsey (1986)
J. S. Lindsey a mis au point une méthode concernant la synthèse de
porphyrines mésosubstituées, dans des conditions plus douces et permettant
l'utilisation de benzaldéhydes sensibles. Elle évite, également, les problèmes
éventuels de purification. La TPP est ainsi obtenue avec un bon rendement,
reproductible, en petites quantités.La condensation entre quatre équivalents de
pyrrole et quatre équivalents de benzaldéhyde se fait dans du chloroforme, voire du
dichlorométhane, sous atmosphère contrôlée, en présence d'un catalyseur acide et à
température ambiante. Cette réaction correspond à un équilibre, fonction, entre
autres, de la concentration initiale des réactifs. Elle est donc réversible. Lorsque
l'équilibre est atteint, c'est à dire quand le tétraphénylporphyrinogène est l'espèce
majoritaire, on oxyde irréversiblement celui-ci pour obtenir la porphyrine désirée
(Figure I. 4).
Les conditions expérimentales ont été optimisées. Ainsi, la concentration pour
chacun des réactifs doit être de 10-2 M et le catalyseur acide est soit le BF 3.OEt2 soit
l'acide trifluoroacétique (TFA). La concentration pour le premier est de 3,3.10-3 M,
tandis que pour le second, elle est de 10-2 M. Par contre, ce dernier favorise la
formation de dipyrrylméthanes Lors de la première étape, il se produit la réaction de
cyclisation voulue mais également une polymérisation, réaction parasite. Celle-ci
explique le fait que le rendement final en porphyrine ne soit que de 50% au
maximum. Avec une concentration en benzaldéhyde de 10-2M, la réaction de
cyclisation est favorisée, tandis qu'à des concentrations de 10-1 ou 10-3 M le
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rendement final chute et n'est plus que de 10 à 15%. L'étape de condensation
atteint son équilibre au bout d'une heure. Comme elle a lieu sous atmosphère inerte,
l'intermédiaire porphyrinogène n'est oxydé qu'au courant de la seconde étape, lors
de l'ajout d'un oxydant, soit le p-chloranil (2,3,5,6-tétrachloro-1,4-benzoquinone), soit
la DDQ (la 2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone). Cette dernière agit
rapidement, à température ambiante, mais donne de moins bons rendements, tandis
que le premier nécessite l'emploi d'un chauffage à reflux, pour un résultat meilleur. La
réaction de condensation est suivie par prélèvements d'échantillons qui sont oxydés
par l'emploi de DDQ, tandis que l'oxydation se fait par l'emploi du p-chloranil, avec
chauffage à reflux de la solution.L'oxydation conduit à la formation de la mésotétraphényl-porphyrine désirée mais également à celle de polymères, les
polypyrrométhènes, et de dipyrrylméthènes provenant respectivement de l'oxydation
des polypyrrométhanes et des dipyrrylméthanes. La purification de la porphyrine se
fait par chromatographie sur colonne de silice.
Figure I. 4. Mécanisme de formation d'une tétraaryl-porphyrine selon Lindsey.
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Le seul inconvénient de cette méthode est la concentration utilisée qui, à
moins de travailler avec d'énormes volumes de solvant, ne permet pas
l'obtention de très grandes quantités de produit. Mais, comme le rendement est
facilement reproductible, il s'agit juste de reproduire plusieurs fois la
manipulation pour obtenir quelques grammes de produit. Comme ceci se fait
dans des conditions douces, il est possible d'employer un grand nombre de
benzaldéhydes différents, sensibles ou non, permettant la synthèse de très
nombreuses porphyrines. En effet, elle ne permet pas uniquement la synthèse de
porphyrines de symétrie.
3-Métallation :
1- Généralité
La métallation est une réaction chimique qui permet l'insertion d'un ion
métallique au coeur du noyau porphyrinique. Cette action permet de modifier les
caractéristiques de la porphyrine.
En effet, une porphyrine métallée au fer constitue l'hème des hémoglobines,
une autre métallée au magnésium constitue les chlorophylles, ou encore, lorsqu'elle
est métallée au cobalt, c'est la vitamine B12.
7
La taille de l'espace central est "idéale" pour loger des métaux de la 1er série
de transition. La structure globale est assez rigide dûs aux cycles pyrroliques
( délocalisation des électrons
), mais elle se "plisse" pour englober un atome
métallique petit ou se transforme en "dôme" pour accepter un atome métalli2 - Ordre
de stabilité des complexes [Porphyrine - ion métallique +2] :
1-
Cinétique de formation des complexes [Porphyrine - ion métallique +2] :
Les modifications de la porphyrine engendrent des activités biologiques
différentes, elles sont dûs :
- à la nature du métal et de son degré d'oxydation
- à la nature des substituants sur la structure porphynique que plus grand.
2-mode opératoire pour la métallation d'un porphyrine :
La métallation de la porphyrine s'effectue dans un tri col de 2L. On y introduit
5g (0.02mol) de H2TPP (poudre violette) en suspension dans 1L de DMF et 10ml de
pyridine.
Porter la solution à reflux jusqu'à dissolution de la porphyrine.
Ajouter alors 14.0g (10 équivalents) d'acétate de Zinc(II) préalablement séché à
l'étuve, et maintenir la solution à reflux.
Au bout d'une heure, on ajoute à nouveau 10 équivalents d'acétate de Zinc(I) et
10ml de 2,4,6-pyridine et maintenir la solution a reflux pendant 1 heure de plus. La
métallation est alors quasi-totale.
La porphyrine métallée est peu soluble dans la DMF, on filtre la suspension sur
fritté (ou Büchner) pour éliminer l'excès de diacétate de Zinc (solide) et on lave le
résidu solide au dichlorométhane (CH 2Cl2). Cela permet de redissoudre la
porphyrine. Puis, on évapore le solvant (dichlorométhane) à l'évaporateur rotatif
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a- Héme:
Le pouvoir attracteur ou donneur des substituants "accordent" les orbitales
moléculaires délocalisées du complexe et font varier leurs propriétés rédo. Le résidu
solide est lavé à l'eau (toujours pour éliminer le surplus de diacétate de Zinc. On le
chromatographie sur colonne d'alumine, l'éluant étant du toluène pur au départ puis
un mélange toluène/hexane (7/3) pour accélérer la colonne.
Après recristallisation de la seconde fraction dans CH 2Cl2/hexane, on obtient
une poudre violette.
b- Chlorophylle
Les chlorophylles sont constituées d'un noyau tétrapyrrolique avec un
magnésium en son centre, et estérifié avec un alcool à très longue chaine en C20 (le
phytol). Dans la membrane des thylakoïdes, les chlorophylles sont associées à des
protéines et forment des complexes protéines pigments
9
Formules des chlorophylles a et b.
Les différentes chlorophylles diffèrent par les substituants des
groupements pyrroles. Le phytol n'est pas détaillé ici. I, II, III, IV :
groupements pyrroles. V : cycle supplémentaire.
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Spectrs d'abosrption de quelques pigments
photosynthétiques.
Le spectre visible se situe approximativement entre 380 nm à 780 nm bien
qu'une gamme de 400 nm à 700 nm soit plus commune. La lumière perçue comme «
verte » par l’œil et le cerveau humain a une longueur d'onde, selon les notions de la
couleur « verte », approximativement entre 490 et 570 nanomètres.
On remarque sur le graphique que l’absorbance de la chlorophylle est moindre
pour cette plage du spectre électromagnétique. La chlorophylle absorbe donc la
majeure partie du spectre visible sauf la lumière verte.

Mise en évidence expérimentale
la chlorophylle est nécessaire pour la photosynthèse en utilisant une feuille
d'une plante panachée (les parties blanches de la feuille sont dépourvues de
chlorophylle) où l'on aura préalablement digéré l'amidon. Après une exposition de
quelques heures
à la lumière et l'utilisation d'une solution iodée, une coloration noire apparaît
seulement sur les zones qui étaient vertes et contenaient de la chlorophylle.
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Cette seconde expérience permet d'observer la chlorophylle dans les feuilles et
de voir de quoi aurait l'air une feuille sans sa chlorophylle. Pour effectuer cette
expérience, vous aurez besoin : d'une casserole, de pinces, d'un verre, d'un
contenant d'eau tiède, d'alcool à friction (isopropanol ou alcool isopropylique) et
d'une feuille bien verte (il est préférable d'utiliser des arbres feuillus). Commencez
par faire bouillir de l'eau dans la casserole. Vous avez besoin de peu d'eau, quelques
centimètres au fond de la casserole suffisent. Éteignez le feu et mettez votre feuille à
tremper quelques secondes (30 à 60 secondes maximum). Retirez-la de l'eau avec
des pinces. Placez votre feuille délicatement dans un verre. Couvrez votre feuille
d'alcool à friction. Laissez reposer le verre pendant une heure dans un plat d'eau
tiède.
C-Vitamine B12
La vitamine B12 est une macromolécule comportant un noyau corrine presque
plan, formé de quatre molécules de pyrrole, au centre duquel se trouve un atome de
cobalt, et d'une structure benzimidazole-ribose-acide phosphorique liée à ce noyau.
L'ion cobalt situé au centre du noyau corrine peut fixer divers substituants :

le cyanure, dans ce cas on obtient la cyanocobalamine

le groupe hydroxyl, et on obtient l'hydroxocobalamine

le groupe méthyl, et on obtient la méthylcobalamine

un résidu adénosyl, le 5-déoxyadénosyl, et on obtient l'adénosylcobalamine.
Le cobalt présent au centre du noyau trétrapyrrolique peut se trouver sous
différents degrés d'oxydoréduction, trivalent, divalent ou monovalent. Dans
l'hydroxocobalamine, le cobalt est à l'état trivalent.
12
Exemple d’application de vitamine B12

La vitaminne B12 est une biomolécule essentielle pour de nombreux
organismes terrestres, mais également pour de nombreux végétaux marins : la
présence ou l’absence de cette vitamine jouerait ainsi un rôle-clé dans les
proliférations naturelles de phytoplancton, et influencerait en retour toute la chaîne
trophique marine.
Biosynthétisée par des bactéries, la vitamine B12 est un coenzyme comprenant
en son cœur un atome de cobalt. Cette molécule intervient dans le métabolisme des
acides aminés. Les animaux, ainsi que de nombreuses algues microscopiques, sont
incapables de la synthétiser, et doivent donc l’assimiler à partir de leur alimentation
(sources nutritives).
Domaines d’application de CoCl(TMCP),

Certains chimistes ont développé l’utilisation d’un nouveau réactif analytique
chiral,
la
chlorocobalt(III)
tétraméthylchiroporphyrine
CoCl(TMCP),
pour
la
détermination par RMN de la composition énantiomérique d’amino esters.
Cet agent dérivant présente plusieurs caractéristiques nouvelles, qui se
révèlent avantageuses pour la commodité et l’exactitude de l’analyse.
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Sous l’effet du courant de cycle de la porphyrine, les résonances des espèces à
analyser sont déplacées à haut champ dans une zone vierge. L’attribution de
structure et de configuration peut donc être faite sans ambiguïté.
Grâce à l’inertie cinétique du cobalt(III), le système métal-ligand se trouve en
régime d’échange lent à l’échelle de temps de la RMN. Les intensités des signaux
considérés reflètent donc réellement les concentrations des espèces individuelles, à
la différence des réactifs paramagnétiques, qui fournissent le reflet d’un ensemble
d’espèces en équilibre dynamique. À l’exposé de ces avantages, il faut ajouter celui
d’un défaut : la modeste sensibilité de détection, intrinsèque à la RMN. Si cette
sensibilité se révélait suffisante, ou pouvait être accrue, la méthode pourrait être
appliquée à l’analyse des acides aminés présents dans des météorites carbonées et,
éventuellement, dans des échantillons de sol martien.
La mesure des excès énantiomérique est devenue une nécessité dans de
nombreux domaines d’activité, en particulier dans l’industrie pharmaceutique et
agrochimique, où elle est généralement effectuée par chromatographie chirale,
souvent couplée à la spectrométrie de masse. Le souci d’une identification
indiscutable des énantiomères et d’une détermination
fiable de leurs concentrations respectives a conduit de nombreux chercheurs à
utiliser la résonance magnétique nucléaire pour obtenir à la fois l’attribution de la
stéréochimie et la mesure de l’excès énantiomérique.
14
15
Structure du réactif dérivant chiral CoCl(TMCP)

1 Exemple d’application
Récemment, Wheelhouse et Shi ont obtenu une série de tétraarylporphyrines
symétriques avec de très bons rendements en procédant à la méso-arylation de la
porphine commerciale selon la méthode de Suzuki. Ils ont ainsi obtenu la tétra-3méthylphénylporphyrine avec un rendement de 70%.
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Cette méthode, qui permet de limiter les pertes d'aldéhyde, semble très
intéressante particulièrement dans le cas ou l'aldéhyde utilisé est difficile à
synthétiser ou très coûteux.
Si la synthèse de tétraarylporphyrines symétriques est aujourd'hui assez bien
maîtrisée, la synthèse de porphyrines non symétriques reste délicate, les faibles
rendements obtenus étant toujours la conséquence de la formation d'un mélange de
porphyrines rendant bien souvent les purifications fastidieuses.
Exemple 2
Dans cet exemple, nous avons surveillé la métallation d'une porphyrine avec
Zn2+ (figure 1) comme une fonction de solvant. La porphyrine de départ matériaux et
produits sont à la fois très coloré et la réaction procède à un changement de couleur
perceptible mais subtile. Le spectres d'absorption des deux espèces se chevauchent
de manière significative faire un minimum global carrés analyse des spectres
souhaitable pour des comparaisons de taux quantitatifs .
Métallation du tétraphénylporphyrine (PPT) avec le zin
L’utilité de porphyrines (Dans
l'organisme.et Dans le système
photosynthétique).
17
Dans l'organisme, les porphyrines sont d'ordre endogène (formation
dans les cellules). Leur biosynthèse constitue une voie très complexe,
commune à toutes les cellules animales, végétales ou bactériennes. Chez les
mammifères, les lieux principaux de la biosynthèse des porphyrines sont le foie et la
moelle osseuse.
Les précurseurs directs de l'hème sont deux composés très simples : l'acide
succinique qui est un constituant du cycle de Krebs, et le glycocolle, qui lui est l'acide
aminé le plus simple.
La structure des porphyrines contient divers dérivés, en ce sens que les
hydrogènes en  peuvent être remplacés par divers groupements fonctionnels. Les
plus importants, biologiquement parlant, sont :
_ le groupement méthyle (--CH3)
_ le groupement acétyle (--CH2COOH)
_ le groupement propanoïque (--CH2CH2COOH)
_ le groupement vinyle (--CH=CH2)
L'introduction de tels groupements dans la molécule de porphyrine lui confère
plusieurs carbones asymétriques ; il y aura donc plusieurs isomères.
La nature en retiendra deux : les isomères I et III dont la présence dans la
nature est d'une grande importance. La transformation de l'isomère I en l'isomère III
(et vice-versa) nécessitant la dégradation complète de la molécule, puis sa
reconstruction, elle est donc totalement impossible dans l'organisme.
C'est pourquoi chacun des deux isomères suit son petit bonhomme de chemin
dans l'organisme. L'accumulation prédominante, dans l'organisme, de l'isomère I (ou
de l'isomère III), présente une valeur diagnostique, dans le cas des perturbations du
métabolisme des porphyrines.
Voici la structure des principales porphyrines présentes dans l'organisme :
 L'uroporphyrine I : tétraacétyl-2, 7, 12, 17 tétrapropanoïque-3, 8, 13, 18
porphine.
 L'uroporphyrine III : tétraacétyl-2, 7,12,18 tétrapropanoïque-3, 8,13,17
porphine.
 La coproporphyrine I : tétraméthyl-2, 7, 12, 17 tétrapropanoïque-3, 8,13,
18 porphine.
 La coproporphyrine III : tétraméthyl-2, 7, 12, 18 tétrapropanoïque-3, 8,
13, 17 porphine.
 La protoporphyrine : tétraméthyl-2, 7, 12, 18 divinyl-3, 8 dipropanoïque13, 18 porphine.
La protoporphyrine (porphyrine la plus importante chez les Mammifères)
n'existe dans la nature que sous un seul isomère, celui-ci correspond à l'isomère III
18
des autres porphyrines. Si elle est combinée à un atome de fer elle constitue l'hème
dans les hémoprotéines : hémoglobine, myoglobine, …
La combinaison équimolaire de l'acide succinique et du glycocolle permet
d'obtenir de l'acide -aminolévulinique, qui lorsque deux molécules se condensent
donnent un dérivé mono pyrrolique : le porphobilinogènLa cyclisation de quatre
molécules de porphobilinogène donnent naissance aux porphyrinogènes, qui sont les
précurseurs hydrogénés des porphyrines.
La décarboxylation des quatre groupements acétiques des uroporphyrinogènes
en groupements méthyles conduit aux deux coporphyrinogènes. Par contre, seul
l'isomère III peut subir, dans les milieux biologiques, la décarboxylation et l'oxydation
de deux des groupements propanoïques en groupements vinyles. Ceux-ci sont
caractéristiques du protoporphyrinogène, et donc de la protoporphyrine
correspondante.
Le porphyrinogène provient de la réduction d'une porphyrine en un produit
dépourvu de fluorescence, renfermant six atomes d'hydrogène de plus que la
porphyrine correspondante. Le phénomène est réversible car l'air atmosphérique le
ré oxyde en porphyrine.
Exemple : la réduction des coproporphyrines I et III permet d'obtenir les deux
coproporphyrinogènes correspondants.
Le dosage des diverses variétés de porphyrines existe sous plusieurs
méthodes qui sont relativement simples.
Les porphyrinogènes jouent un rôle très important lors de la synthèse
(biologique) des porphyrines.
Dans le système photosynthétique :
Les chlorophylles a et b sont des dérivés porphyriniques. Elles peuvent être
représentées sous forme de bâtonnets. Ces bâtonnets sont arrangés de façon
circulaire dans les chloroplastes. Il en existe deux types :


Les chloroplastes de type LH1 aussi appelés centres réactionnels

Les chloroplastes de type LH2.
(CR).

19
Lorsque l'énergie lumineuse (h) arrive sur les LH2, elle migre très rapidement
vers le CR, sans perte d'énergie. Là elle est transformée en énergie chimique, qui va
servir à la plante pour grandir…
Selon le métal auquel la porphyrine est liée, elle peut atteindre un certain
niveau d'énergie. C'est pourquoi les chercheurs de monde entier recherchent
l'arrangement qui permettra, peut-être, de copier le système photosynthétique.
Car le système photosynthétique naturel est quasiment parfait, étant donné
qu'on peut constater peut de pertes d'énergies et que l'énergie migre très rapidement
des chloroplastes de type LH1 au centre d'énergie. .
4 -Conclusion
Les complexes métalliques jouent un rôle clé dans des processus biologiques.
A la base de l'hémoglobine, des cytochromes et de la chlorophylle, on trouve le
ligand porphyrine comportant différents substituant comme.
-L'unité hème fait partie de l'hémoglobine, de la myoglobine, des cytochromes
et de plusieurs autres enzymes qui se distinguent surtout par les protéines qui
entourent l'hème.
-Le groupement porphyrine fait aussi partie de la chlorophylle, substance clé de
la photosynthèse des plantes vertes.
20
-La corrine est un ligand semblable à la porphine. Il fait partie du coenzyme
B12. Le cation participant à la formation de ce complexe est le cobalt.
Reference
-These de doctor Fahim
-chemphys.u-strasbg.fr/mpb/teach/Porphyrines
-membres.multimania.fr
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