Faculté des sciences

Absolute configuration determination of the dihydroxyethyl moiety of "hordeum vulgare" chlorophyll catabolites : Enantiomeric excess determination of α-amino acides by 19F NMR spectroscopy with a new fluorinated organometallic chiral derivatizing agent

Levrat, Fabrice ; Engel, Norbert (Dir.) ; Schneider, Manfred (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2003 ; no 1405.

Durant la sénescence, la chlorophylle des plantes supérieures est catabolisée en tétrapyrroles linéaires. L’oxydation in vitro de ces catabolites avec de l’acide chromique fournit des dérivés monopyrroliques appelés maléimides. Ceux-ci portent aussi bien le groupe méthyle caractéristique des dérivés de la chlorophylle qu’une chaîne latérale spécifique formée pendant le... Plus

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    Résumé
    Durant la sénescence, la chlorophylle des plantes supérieures est catabolisée en tétrapyrroles linéaires. L’oxydation in vitro de ces catabolites avec de l’acide chromique fournit des dérivés monopyrroliques appelés maléimides. Ceux-ci portent aussi bien le groupe méthyle caractéristique des dérivés de la chlorophylle qu’une chaîne latérale spécifique formée pendant le processus métabolique. Il peut également être envisagé que ces maléimides sont formés enzymatiquement in vivo dans certaines plantes – comme Ginkgo biloba ou Heracleum mantegazzianum – dans lesquelles aucun tétrapyrrole linéaire dérivé de la chlorophylle n’a été détecté. La synthèse de 4-méthylmaléimides substitués en position C(3) doit permettre, par comparaison spectroscopique ou chromatographique, la caractérisation des catabolites de la chlorophylle, mais aussi une détection aisée de ces derniers dans des extraits de plantes sénescentes. Dans ce travail, la synthèse de 4-méthylmaléimides substitués en position C(3) a été effectuée de trois manières différentes. Premièrement, des 4-méthyl-1H-pyrroles on été oxydés en maléimides avec différents réactifs. Malheureusement, le haut potentiel rédox nécessaire pour faire cette transformation limite le choix de substrats aux pyrroles avec des substituants aliphatiques. Deuxièmement, des maléimides ont été préparés par conversion quantitative des anhydrides maléiques correspondants en présence de hexaméthyldisilazane et de méthanol. Ces anhydrides maléiques ont été synthétisés préalablement via des 2-hydroxy-N-pyridin-2-ylamides. Troisièmement, des maléimides ont été synthétisés par cyclisation spontanée de (Z)-maléamates préparés par des réactions de Wittig entre des α-cétoesters fonctionalisés et le sel de dialkylphénylphosphonium de la 2-bromopropionamide. Ces deux dernières méthodes permettent l’utilisation comme précurseurs de produits naturels, comme des acides aminés ou l’acide ascorbique. L’oxydation d’extraits de feuilles sénescentes d’orge a permis l’isolation du 3-(1,2-dihydroxyéthyl)maléimide optiquement actif, mais de configuration absolue inconnue. Ce fragment spécifique provient du cycle A des catabolites de la chlorophylle de cette plante. Dans ce projet de recherche, la configuration absolue du centre chiral de ce maléimide a été déterminé par corrélation avec un 3-[(1R)-1,2-dihydroxyéthyl]maléimide synthétique obtenu à partir d’acide ascorbique. La comparaison par dichroisme circulaire de ces deux produits a permis d’assigner la configuration (R) à la fois à ce maléimide, mais aussi, par corrélation, au groupe dihydroxyéthyle des deux catabolites de l’orge connus jusqu’à ce jour. Dans la deuxième partie de ce travail, une nouvelle méthode de détermination de l’excès énantiomérique des acides α-aminés – prenant en compte les avantages de la spectroscopie 19F RMN – a été développée. Pour ce faire, di-µ-chloro-bis[N,Ndiméthyl-(2,2,2-trifluoro-1-phényléthyl)amine-2-C,N]palladium(II) a été synthétisé et résolu avec de la (R)-phénylglycine pour servir d’agent de dérivation chirale. La configuration absolue d’un complexe diastéréomérique de phénylglycine a été déterminée par diffraction de rayons X, permettant ainsi d’assigner par corrélation celle de l’agent de dérivation chirale. Celui-ci a ensuite été utilisé pour déterminer l’excès énantiomérique de sept acides α-aminés naturels. Comme attendu, les spectres ne montraient que deux pics, un pour chaque diastéréoisomère. Dans chaque cas la séparation des pics étaient excellentes, permettant une intégration aisée des signaux de résonance.
    Summary
    During senescence, chlorophyll of higher plants is degraded into linear tetrapyrrolic catabolites. Their in vitro oxidation with chromic acid furnishes the constituting pyrrolic moieties as maleimides fragments. The substitution patterns of the isolated maleimides are related to the catabolites structures. All maleimides bear the characteristic methyl group of the former chlorophyll as well as a modified side chain acquired during the metabolic process. It can also be considered that these maleimides are formed enzymically in vivo in some plants – like Ginkgo biloba or Heracleum mantegazzianum – in which no linear tetrapyrrolic catabolites have been found so far. Synthesis of 3-substituted-4-methylmaleimides should allow, by means of spectroscopy or chromatography, the characterization of chlorophyll catabolites, but also an easy detection of these in senescing plants extracts. In this work, synthesis of 3-substituted-4-methylmaleimides was carried out following three different ways. In the first, 4-methyl-1H-pyrroles were oxidized in maleimides with different reagents. Unfortunately, the high redox potential necessary to carry out this transformation restricts the substrates to simple pyrroles with aliphatic side chains. In the second way, maleimides were prepared by quantitative conversion of the corresponding maleic anhydrides in presence of hexamethyldisilazane and methanol. These maleic anhydrides were synthesized via 2-hydroxy-N-pyridin-2-ylamides. In the third strategy, several maleimides were synthesized by spontaneous cyclization of (Z)-maleamates prepared by Wittig reactions between functionalized α-ketoesters and the dialkylphenylphosphonium salt of 2-bromopropionamide. Both latter methods allowed the use of natural compounds such as α-amino acids or ascorbic acid as starting material. Chemical oxidation of senescing barley leaves extracts allows the isolation of optically active 3-(1,2-dihydroxyethyl)maleimide with an unknown absolute configuration. This specific fragment derives from the pyrrolic A cycle of the plant chlorophyll catabolites previously isolated from Hordeum vulgare. In this research project, the absolute configuration of the single chiral center was determined by correlation with synthetic 3-[(1R)-1,2-dihydroxyethyl]maleimide obtained by an enantiomeric pure compound synthesis using ascorbic acid from the natural chiral pool. A comparison of the circular dichroism spectra of the synthetic product and the product coming from the natural source demonstrated that both compounds have a negative Cotton effect of comparable amplitude. These results permitted the unambiguous absolute configuration assignment of the unknown maleimide fragment and, therefore, of the intact catabolites; all are (R) configured. In the second part of this research a new method of α-amino acids enantiomeric excess determination has been developped – taking in account the advantages of 19F NMR spectroscopy. Hence, di-µ-chloro-bis[N,N-dimethyl-(2,2,2-trifluoro-1-phenylethyl)amine-2-C,N]palladium(II) has been synthesized and resolved with (R)-phenylglycine to serve as coordinative chiral derivatizing agent. The relative configuration of one of the separated phenylglycinate diastereromeric complexes has been determined by X-ray diffraction allowing the absolute configuration assignment of the chiral derivatizing agent. This was used to determine the enantiomeric excess of seven natural α-amino acids. As expected, only two peaks, one for each diastereomer, were observed. In each of the amino acid investigated the magnitude of the diastereomeric peaks separation was excellent, allowing a clean integration of each resonance signals.