Synthèse de principes actifs de médicaments Olivier Provot ([email protected]) Université Paris-Sud, Faculté de Pharmacie L1 Santé Plan Plan • Chapitre 1. Généralités: benzène et aromaticité • Chapitre 2. Organomagnésiens • Chapitre 3. Synthèse de principes actifs de médicaments 1. Généralités: benzène et aromaticité Formule brute C6H6 : 1 cycle et 3 double liaisons « cyclohexatriène » : 4 insaturations H H H Ph H H H Benzène Représentation faisant apparaître le plus simplement la totale délocalisation des électrons Mésomérie = Stabilité ° 1.39 A 120° Propriétés: H H ° 1.09 A 120° Le benzène est plan Eb = 80 °C, F = 5,5 °C Stabilité du benzène H H H2 Cyclohexène H H - 110 kJ/mol H H Cyclohexatriène "fictif" car non résonant 3 H2 -330 kJ/mol (3 x -110 kJ/mol) Energie de résonance -206,3 - (-330) = 123,7 kJ/Mol 3 H2 - 206,3 kJ/mol Benzène (calculé expérimentalement) Cyclohexane Aromaticité Aromaticité Aromaticité : règles empiriques de Hückel (1937) : - la molécule est cyclique, - polyènique conjuguée, - la molécule est plane, - l’ensemble des électrons délocalisés doit répondre à la formule 4n + 2 Exemples N Principaux noyaux aromatiques rencontrés dans les principes actifs de médicaments NaOH OH Phénol (H acide) H2O , Na O Phénolate de sodium (stabilisé par mésomérie) CH3 Toluène (Méthylbenzène) O O O CHO Benzaldéhyde OH OCH3 Anisole NO2 Nitrobenzène CO2H Acide salicylique (Acide-2-hydroxybenzoïque) Exemple qcs Bonnes réponses: B, E. A: la molécule A représentée possède un seul noyau aromatique Vrai ou Faux ? B: le noyau de la molécule B est aromatique Vrai ou Faux ? C: la molécule C possède un seul noyau aromatique Vrai ou Faux ? D: la molécule D possède deux noyaux aromatiques dont un noyau pyridine Vrai ou Faux ? E: la molécule E possède 2 noyaux aromatiques Vrai ou Faux ? 2. Organomagnésiens Victor Grignard, Prix Nobel 1912 Organomagnésiens : Préparation + R CH2 - Magnésium X Mg métal C "électrophile" - R Insertion du métal dans la liaison Carbone-Halogène CH2 + Mg - X C "nucléophile" dérivé organomagnésien dérivé halogéné: (X = I; Br; Cl) Réagit avec les électrophiles tels que cétones, aldéhydes, esters, nitriles,...) Exemple : CH3I iodure de méthyle Mg CH3MgI iodure de méthylmagnésium mais également avec les H acides tels que H2O, NH, OH,... Conséquences: Les dérivés organométalliques étant très nucléophiles et très basiques doivent être préparés dans des solvants anhydres (sans eau) et ne peuvent pas posséder de fonctions électrophiles ou d’atomes d’hydrogène acide). Solvants utilisés pour la préparation des organomagnésiens : éther diéthylique et tétrahydrofurane (THF) Ether diéthylique O THF : tétrahydrofurane O NB: Les solvants doivent être dépourvus d’eau (anhydres) à cause du caractère très basique des organomagnésiens qui pourraient se protoner en présence de traces d’eau. Les solvants, éther diéthylique (Et2O) et THF participent à la formation et à la stabilisation des organométalliques : CH 3 X CH3 O Mg R O CH3 CH3 Réactivité des organomagnésiens Réactions avec les composés à hydrogène labile (acide) : déprotonation Exemples : XMg R + + H OH XMgR + H OR + - XMgR RH + HO MgX RH + RO MgX H OPh RH + PhO XMgR + R COO H RH + R COO MgX H XMgR + R alcyne vrai RH + R C + MgX MgX Réactivité des organomagnésiens Nucléophilie : R + MgX Substitutions sur C saturé R MgX + Additions sur C non saturé Réactions de substitution: création de liaisons C-C Avec les dérivés halogénés : XMg+R- + R' R-R' + Mg Réaction de Würtz : 2 R X Mg R X X R - + MgX R R + R X R R MgX2 MgX2 MgX2 Réaction de Wurtz Mécanisme: Réaction "parasite" de l'organomagnésien nucléophile qui se forme sur le dérivé halogéné électrophile qui n'a pas encore "inséré" le Mg Avec l’orthoformiate d’éthyle : Hydrolyse d’acétal H2O/H+ Mécanisme: réaction d’un organomagnésien sur l’orthoformiate d’éthyle suivie d’hydrolyse acide Avec les orthoesters: 1 réaction substitution d’un groupement EtO par le réactif de Grignard 2 hydrolyse de l’acétal (qui ne réagit pas avec le réactif de Grignard) 3 obtention d’un cétone Bilan: 1 des 3 groupements EtO est substitué par l’organomagnésien, les 2 groupements EtO fixés sur l’atome de carbone sont ensuite hydrolysés (coupure par l’eau) en fin de réaction pour donner le dérivé cétonique Avec les époxydes: R + MgX + H2C CH2 O H2O R CH2 CH2O MgX R CH2 CH2OH - (oxirane) Régiosélectivité: (1) (2) (1) H2C CH O CH3 CH3-CH2-CHOH-CH3 CH3MgBr H2O CH3 (2) H2C CH CH3 OH La réaction est régiosélective (ouverture sur le carbone 1): on obtient majoritairement l’alcool secondaire résultant de l’attaque sur le carbone le moins encombré (1). Ouverture régiosélective d’époxyde Avec l’épichlorhydrine: SN 2 SN 2 Réactions d’addition : création de liaisons C-C Rappels concernant la réactivité d’électrophiles O C O > fort effet électro-attracteur du chlore Chlorures d'acides C R Cl > O + > H peu ou pas d'effet de H Aldéhydes C R O + + < R + R' R effet inductif donneur de R > Cétones C > + R C O R' effet mésomère donneur désactivant > Esters Nitriles N Réactions d’addition : création de liaisons C-C RMgX 2) H2O Avec les aldéhydes: R + Mg X +O R' C H H 1) R'CHO Et2O R R' C H R C R' OH H2O O Mg X alcoolate magnésien Avec les cétones: RMgX R R' C H OH alcool secondaire R'' 1) R'COR" 2) H2O alcool secondaire R C R' OH alcool tertiaire Addition d’un organomagnésien sur une cétone Avec le CO2: RMgX 1) CO2 2) H2O R COOH acide carboxylique Avec les esters : (peu réactifs) R2 + MgX R1 2 R2MgX + O OEt R2 1) R1CO2Et 2) H2O R1 C OH R2 alcool tertiaire 2 R2MgX R1 1) R1COCl R2 2) H2O C R2 alcool tertiaire OH Avec les chlorures d’acides : (très réactifs) R2 + Mg X R1 + O MgX R1 Cl A NDN R2 O O R1 R2 Cl + R2MgX seconde addition puis hydrolyse R2 R1 OH R2 Avec les nitriles : (peu réactifs) R2MgX 1) R1CN 2) H2O R2 R1 cétone C O 3. Synthèse de principes actifs de médicaments Acide acétylsalicylique Aspirine®, Aspégic® > 200 spécialités en France (antalgique, antipyrétique, anti-inflammatoire, antiagrégant plaquettaire,…) 1829: Pierre-Joseph Leroux (Pharmacien à Vitry-le-François) isole la salicine (précurseur) à partir de l’écorce de saule blanc. 1853: Charles-Frédéric Gerhardt (Chimiste Strasbourgeois) prépare l’acide acétylsalicylique et meurt en 1856. 1897: Félix Hoffmann effectue la synthèse industrielle de l’Aspirin® (Bayer). Salix = saule Oxonium: A COOH O O H3C O Estérification CH3 OH COOH COOH O ANDN O CH3 O O CH3 H acétyle = Ac acide salicylique anhydride acétique CH3CO2 Anion acétate acide acétylsalicylique ESTERIFICATION Acétalisation de l’acide salicylique: mécanisme ANDN Estérification: rappels Paracétamol (principe actif le plus vendu en France, Dafalgan®, Doliprane®, Efferalgan®,…) (antalgique, antipyrétique,…) 1886: Alors qu’il croyait travailler sur le naphtalène, Adolf Kussmaul (Université Strasbourg) trouve des propriétés antipyrétiques à l’acétanilide qui est l’ancêtre du paracétamol. O CH3 HN acétanilide 1890: Bayer possède en stock le paranitrophénol (déchet de l’industrie du colorant) qu’il souhaite valoriser. La structure voisine de l’acétanilide permettra de transformer le paranitrophénol en paracétamol (Brevet Bayer). Salacétamide (n’est plus commercialisé) (anti-inflammatoire, antipyrétique,…) doublet peu nucléophile O O NH2 NH2 Acide salicylique OH A OH O O N H OH Salacétamide CH3 Hydrolyse d’esters et d’amides en milieu basique Ambroxol Ambroxol (chlorhydrate) Surbronc® (fluidifiant bronchiques) (fluidifiant bronchique) A partir du paracétamol… Indications: Traitement des troubles de la sécrétion bronchique chez l’adulte notamment en cas d’affections bronchiques aigües et de bronchopneumopathies chroniques Formation d’imine (hors PACES) Bamipine (anti-histaminique) Questions: A: cette synthèse utilise l’aniline? B: la Bamipine est obtenue lors d’une ultime étape de substitution? C: la première réaction conduisant à A est équilibrée? D: la réduction d’une imine conduit à une amine? E: la Bamipine possède un seul noyau aromatique? Bonnes réponses: A, B, C, D. Exemple de qcs Lors de la synthèse du Fentanyl, anesthésique, on utilise l’intermédiaire ci-dessus. A: la molécule représentée possède une fonction imine Vrai ou Faux ? B: elle peut être préparée à partir d’une cétone et de l’aniline Vrai ou Faux ? C: elle possède 1 carbone asymétrique Vrai ou Faux ? D: elle possède 2 noyaux aromatiques Vrai ou Faux ? E: la réduction de la double liaison C=N conduit à une amine tertiaire Vrai ou Faux ? Bonnes réponses: A, B, D. Chlorure d’acétylcholine Miochole® (parasympatomimétique ) Réaction d’estérification Indications: Parasympatomimétique utilisé en chirurgie oculaire pour obtenir un myosis (contraction de la pupille) rapide Butéthamine (a été utilisé comme anesthésique local) Sélectivité OH vs NH2: Indications Principalement dentaires, effet rapide. (plus utilisé car le groupement NH2 en position para est responsable de réactions allergiques). SN2: Rappels CH3 H3C H Cl HO H3C C CH2 H N CH3 N CH3 HO CH3 H , Cl C H SN2 Vitesse de la réaction SN2 : V = k [RCl]1 x [N(CH3)3]1 SN2 : cas des molécules dont l'halogène ou le groupe partant est fixé sur un carbone asymétrique: Inversion de Walden Nu C* X Nucléophile X = halogène (groupe partant) Nucléofuge Nu C* X Nu C* X Halogénure Cl-, Br- etc... Création d'un nouveau centre asymétrique Molécule optiquement active, stéréochimie à déterminer NB: les halogénures primaires RCH2X sont de bons candidats pour les réactions SN2 car d'une part, le nucléophile peut accéder aisément au Carbone porteur de l'halogène, et d'autre part, un carbocation primaire n'est pas envisageable SN2: Rappels CH3 H O C CH3 Cl Cl H O H H C3H7 A C H O CH3 + C H C3 H7 C3H7 (R)-2-Chloropentane (S)-Pentan-2-ol Etat de transition Inversion de Walden Molécule chirale (dérivé chloré) La vitesse de la réaction est donnée par l'équation : alcool optiquement actif V = k [A].[NaOH] L'état de transition fait intervenir les DEUX partenaires, le nucléophile et le nucléofuge. Cl Substitutions nucléophiles et sélectivité Acétophénazine (antagoniste dopaminergique qui a été utilisé comme neuroleptique, antipsychotique,…) Sélectivité Cl vs Br: Substitutions nucléophiles et sélectivité Béclamide (anticonvulsant, anti-épileptique) Sélectivité RCH2Cl vs RCOCl: Époxydes Sotalol Sotalex® (bêta-bloquant) Synthèse d’époxyde et ouverture sélective: Indications Cardiologie (anti-arythmique, antihypertenseur, insuffisance cardiaque) Oxprénolol Trasicor® (bêta-bloquant) Épichlorhydrine: un époxyde très utilisé en synthèse de spécialité de médicament: épichlorhydrine Cl ouverture d'époxyde H 2C O réaction SN2 Indications: hypertension artérielle Aténolol (génériqué) (bêta-bloquant) Indications: hypertension artérielle Insuffisance cardiaque arythmie Exemple de qcs Lors de la synthèse du Bépridil (antagoniste calcique), on effectue la réaction entre les réactifs A et B selon: A: Le composé A comporte une fonction époxyde et une fonction éther Vrai ou Faux ? B: Le composé C est un alcool primaire Vrai ou Faux ? C: Le composé C est un alcool secondaire Vrai ou Faux ? D: A est racémique donc C sera racémique Vrai ou Faux? E: La réaction entre A et B est une addition Vrai ou Faux? Bonnes réponses: A, C, D. Exemple de qcs La synthèse d’un anesthésique local, la ropivacaine est représentée comme suit: A: Le chlorure de thionyle SOCl2 transforme A en B Vrai ou Faux ? B: la transformation B en C procède selon un mécanisme ANDN Vrai ou Faux ? C: la ropivacaine est la molécule D Vrai ou Faux ? D: la ropivacaine synthétisée est optiquement active puisque dérivant de l’acide pipécolique (molécule A) optiquement pur Vrai ou Faux ? E: la dernière étape est une SN1 Vrai ou Faux ? F: la ropivacaine est la molécule E Vrai ou Faux ? Bonnes réponses: A, B, C, D Principes actifs mettant en jeu des réactifs organométalliques Pipradrol chlorhydrate (stimulant) Réactions d’addition sur cétones: O HN N HO HO N N Br MgBr Mg * H2, Pt B Pipradrol A I C Retiré en 1970 à cause d’abus d’utilisation comme drogue Tramadol (Contramal®, Zaldiar®, Topalgic®,…) (analgésique agoniste des récepteurs m morphiniques) CCCCP Indication: traitement des douleurs modérées à intenses chez l’adulte Amitriptilyne chlorhydrate (Laroxyl®, Elavil®) (Antidépresseur tricyclique) Réactions d’addition sur cétones : Indications: -Antidépresseur (inhibiteur de la recapture de la sérotonine et de la noradrénaline) -Douleurs rebelles (neuropathies périphériques) Exemple de qcs La synthèse de la doxylamine utilisée dans le traitement de l’insomnie se fait selon: A: la molécule B peut-être préparée à partir du composé A en présence du bromure de phénylmagnésium. Vrai ou Faux ? B: B est un phénol Vrai ou Faux C: B possède 2 noyaux aromatiques Vrai ou Faux ? D: la réaction B + C conduisant à la Doxylamine est une SN2 Vrai ou Faux ? E: La Doxylamine ne possède pas de Carbone asymétrique Vrai ou Faux ? F: Le doublet de l’atome d’azote du noyau hétérocyclique (pyridine) participe à l’aromaticité Vrai ou Faux ? Bonnes réponses: A, C, D. Nabilone (Césamet® (Canada, Espagne, GB)) (Hypnotique, douleurs chroniques) Réactions d’addition sur nitriles: Nabilone: cannabinoïde analogue structural du dronabinol ou tétrahydrocannabinol (THC) psychotrope présent dans le cannabis. Pridinol méthanesulfonate (anticholinergique correcteur du syndrome parkinsonien induit par les Réactions d’addition sur esters: neuroleptiques) Methallenestril (œstrogène) Cétone vs ester et organomagnésien: Exemple de qcs Lors de la synthèse d’un principe actif utilisé comme antispasmodique, on effectue la transformation suivante: A: le solvant utilisé est le THF ou l’éther Vrai ou Faux? B: le composé formé est un alcool tertiaire Vrai ou Faux? C: le réactif de Grignard réagit sur la fonction ester pour donner une cétone intermédiaire moins réactive que l’ester de départ Vrai ou faux? D: le composé formé possède 2 centres asymétriques Vrai ou faux? E: le composé formé possède 2 noyaux aromatiques Vrai ou Faux? Bonnes réponses: A, B, D, E. Aldolisation, cétolisation Les aldéhydes et les cétones énolisables donnent en milieu basique un anion (énolate) qui se comporte comme un réactif nucléophile. Comme les aldéhydes et les cétones possèdent un carbonyle électrophile, ils peuvent donc réagir sur eux même en milieu basique selon : Exemple: autocondensation du propanal : H acide C H3 C H NaOH CHO Propanal H , Na < H H H acide H 3C CHO I: Nucléophile forme carnéniate ici représentée O H CH , Na H3C Enolate O H2O H CH3 CHO OH Aldol Electrophile CH3 Base ou acide CHO Déshydratation ou crotonisation accepteur de Michael Aldolisation, cétolisation Plusieurs types de réactions peuvent avoir lieu : - aldéhyde sur lui-même, - cétone sur elle-même (cétolisation avec de très faibles rendements), - cétone (ou plutôt son énolate nucléophile) sur aldéhyde (électrophile) (réaction croisée), - aldéhyde énolisable (nucléophile) sur aldéhyde non énolisable (électrophile). Nabumétone Nabucox® (AINS anti-inflammatoire non stéroïdien) Traitement des rhumatismes inflammatoires chroniques dont la polyarthrite rhumatoïde et les arthroses invalidantes Sofalcone (traitement de l’ulcère, agent mucoprotecteur) Exemple de qcs La synthèse de l’amorolfine (antimycotique) débute comme suit: A: la réaction A + B est une autocondensation de type aldolisation Vrai ou Faux ? B: la réaction A + B est une aldolisation suivie de déshydratation Vrai ou Faux C: dans cette réaction, A constitue l’électrophile Vrai ou Faux ? D: B possède des hydrogènes acides, au contraire de A Vrai ou Faux ? E: la molécule B peut réagir sur elle-même en milieu basique Vrai ou Faux ? F: la molécule B, sous sa forme énolate en milieu basique, réagit sur A Vrai ou Faux ? G: la molécule A peut réagir sur elle-même en milieu alcalin Vrai ou Faux? Bonnes réponses: B, C, D, E, F. Exemple de qcs La séquence d’aldolisation suivante est utilisée lors de la synthèse d’un principe actif de type statine utilisé pour son action hypocholestérolémiante A: la molécule A (en milieu basique) constitue le nucléophile Vrai ou Faux? B: la molécule B est l’électrophile Vrai ou Faux? C: la base va arracher le proton (rouge) car il est plus acide Vrai ou faux? D: le proton bleu ou noir est plus acide que le proton rouge car il subit 2 effets électroattracteurs des 2 C=O voisins Vrai ou Faux? E: une réaction de crotonisation s’est opérée Vrai ou Faux? F: la molécule C est un accepteur de Michael (voir rubrique ci-après) Vrai ou Faux? G: la double liaison de la molécule C a une configuration absolue E Vrai ou Faux? Bonnes réponses: A, B, D, E, F, G. Réaction de Michael Un accepteur de Michael : ester, nitrile, acide, cétone, aldéhyde a-b insaturé ex: Réaction de Michael: Nucléophiles usuels rencontrés dans la réaction de Michael: Réactivité des organomagnésiens vis-à-vis des accepteurs de Michael Mélange cétone : alcool en proportion variable Hexobendine chlorhydrate Ustimon®, Reoxyl® (vasodilatateur coronarien inhibiteur de la recapture de l’adénosine) Indication: angor (angine de poitrine) Paroxétine Deroxat® (antidépresseur) Dépression majeure, TOC, troubles de l’anxiété,… (inhibiteur sélectif de la recapture de la sérotonine) Exemple de qcs La synthèse du benpéridol (neuroleptique) débute comme suit: A: la molécule A est l’aniline Vrai ou Faux ? B: la molécule B est un accepteur de Michael Vrai ou Faux ? C: la molécule C a pour formule brute C15H21NO4 Vrai ou Faux ? D: la réaction de Michael est une addition 1,2 Vrai ou Faux ? E: La molécule B est l’espèce nucléophile Vrai ou Faux ? Bonne réponse: B Exemple de QCS Lors de la synthèse de la sétiptiline à propriété antidépressive, on utilise le schéma réactionnel suivant: A: le réactif B est la méthylamine Vrai ou Faux? B: le réactif A peut-être mis en excès ? Vrai ou Faux? C: la transformation A en C est une addition 1,4 Vrai ou Faux? D: la réaction de Michael permettant l’accès à D peut-être effectuée en présence d’un excès d’acrylate d’éthyle Vrai ou Faux ? E: les réactions de Michael passent par des intermédiaires de type énol en équilibre avec leur forme cétonique Vrai ou Faux? F: C possède un carbone asymétrique Vrai ou Faux? G: D possède 2 carbones asymétriques Vrai ou Faux? Bonnes réponses: A, C, D, E, F. Aminoalkylation: Réaction de Mannich (1877-1947) Aminoalkylation de cétones : O O O H CH2 N CH2 Et N H Et Et Et A: amino-cétone H O H Mannich: Alkylation d'énol via un iminium Aminoalkylation d’aldéhydes : CH3 O OHC CH3 CH2 H N H CH3 CH3 CH3 H CH2 N OHC CH3 H H O H Mécanisme: Formation de l'iminium: H H O H O CH2 CH2 H2C H N Et Et H2C NH Et H2C O Et Et H H O H H N O Et Et N Et Prototropie Protonation du formaldéhyde Iminium Formation de la liaison C-C H O H3C H CH3 H3C H O CH2 H3C O H2C CH2 Et H O N Et H3C CH2 Et CH2 N H Et Attaque de l'iminium par l'énol H O H3C CH2 Et CH2 N Et Zimeldine (1er antidépresseur inhibiteur sélectif de la recapture de la sérotonine) Arrêté à la suite du risques d’effets secondaires majeurs tels que neuropathies (syndrome de Guillain-Barré, et passage à l’acte suicidaire accru,..) Fluoxétine Prozac® (antidépresseur inhibiteur de la recapture de sérotonine) Indications - Épisodes dépressifs majeurs -Troubles obsessionnels compulsifs TOC Clofédanol (Antitussif) La synthèse du Clofédanol s’effectue comme suit: A: la molécule A a pour formule brute C12H14ClNO. Vrai ou Faux ? B: la première réaction est une réaction de Mannich Vrai ou Faux ? C: A possède un atome de carbone asymétrique Vrai ou Faux ? D: le réactif de Grignard utilisé lors de la synthèse est préparé à partir de chlorobenzène Vrai ou Faux ? E: Le clofédanol à un carbone asymétrique Vrai ou Faux ? F: Le clofédanol possède une fonction cétone Vrai ou Faux ? Bonnes réponses: B, E. Exemple de qcs La synthèse de la pyrrobutamine est décrite ci-après: A: la première étape de la synthèse passe par un intermédiaire iminium Vrai ou Faux ? B: le composé A a pour formule C12H15NO Vrai ou Faux ? C: la dernière étape est une déshydratation Vrai ou Faux ? D: un réactif organomagnésien convenablement choisi transforme A en B après hydrolyse Vrai ou Faux ? E: la première réaction libère une molécule d’eau Vrai ou Faux ? Bonnes réponses: A, C, D, E