Synthèse de la gramine

 

Nous allons nous intéresser à la synthèse de la gramine, un dérivé indolique, présentant un intérêt particulier en synthèse organique, étant le précurseur de plusieurs composés.

De plus, cette synthèse nous permettra d’expliciter la réaction de Mannich et de toucher du doigt la réactivité de l’indole.

 

I.      Présentation

 

1) La molécule

 

La gramine est une molécule naturelle, que l’on retrouve dans de nombreuses plantes, où elle joue un rôle de défense vis-à-vis des agresseurs en raison de sa toxicité1.

 

Du point de vue chimique, la gramine appartient à la famille des composés indoliques :

 

Fig. 1

On retrouve donc le noyau indolique (en rouge) et un motif diméthylamine (en bleu), espacé par un groupe –CH2- (en noir).

Sont nom en nomenclature officielle est : (1H-indol-3-yl)-N,N-diméthylméthanamine (pourquoi faire simple…)

 

2) La gramine dans la plante

 

La gramine a pour la fois été isolée des feuilles d’orge (Hordeum vulgare) par Von Euler et Erdtmann2.

 


 

Fig. 23

 

Fig. 34


 

Depuis, la gramine a été mise en évidence5 dans d’autres plantes : Arundo donax, Phalaris arundinacea

 

La suite de réactions suivante à été proposée pour expliquer la biosynthèse de la gramine dans la plante6a - f :

 

Fig. 4

 

Voir ici pour un schéma détaillé de la biosynthèse de la gramine.

 

 Dans la plante, la gramine semble jouer un rôle de défense vis-à-vis d’agresseurs externes en raison de sa toxicité1.

En effet, ce composé est toxique pour de nombreux organismes (mammifères, insectes - notamment pucerons, bactéries…) et permet donc à la plante de résister à ces agresseurs.

La toxicité de la gramine est explicable par son action inhibitrice du métabolisme des organismes qui l’absorbent : inhibition de la phosphorylation, des réactions impliquant l’ATP… et à de plus fortes doses, une inhibition des transferts électroniques impliqués dans la chaîne respiratoire a été notée.

 

3) La gramine en synthèse organique

 

La gramine est une molécule pouvant servir d’intermédiaire de synthèse pour la préparation de divers composés indoliques. Nous pouvons ainsi citer : le tryptophane7 (acide 2-amino-3-(1H-indol-3-yl)propanoïque) (fig. 5) un acide aminé essentiel au développement humain et  l’auxine8 (acide 2-(1H-indol-3-yl)acétique) (fig. 6) une hormone de croissance chez les plantes.

 


 

Fig. 5

 

Fig. 6

 

Ainsi, à partir de la gramine, il est possible de préparer les systèmes de type 2-indoléthylamine (fig. 7) que l’on retrouve dans de nombreuses molécules naturelles : la bufoténine (alcaloïde hallucinogène isolé de la peau de certains crapauds et de graines de Anadenanther peregrina) (fig.8) et le LSD (dérivé hellucinogène hémi-synthétique de l’acide lysergique, alcaloïde présent dans un champignon parasite de l’ergot de seigle) (fig. 9) en sont deux exemples9.

 

 

Fig. 7

 

 

Fig. 8

 

Fig. 9

 

La gramine permet également de préparer des composés complexes. Nous pouvons citer les alcaloïdes α-acyl indoliques (ervatamine fig.10) dont un analogue (fig.11) a été synthétisé par Potier et coll.10 dans lesquels l’atome d’azote est séparé du cycle indole par trois carbones et non plus deux comme précédemment.

 

Fig. 10

 

Fig. 11

 

Enfin, des composés de type tétrahydrocarbazole (fig. 12) peuvent être synthétisés11 à partir de dérivés fonctionnalisés de la gramine (fig. 13), via une réaction d’élimination thermique de diméthylamine, suivie d’une réaction de Diels-Alder :

 

Fig. 12

 

Fig. 13

 

 

3) Schéma de synthèse

 

La synthèse de la gramine se fera ici par utilisation de la réaction de Mannich mettant en œuvre un électrophile préparé à partir de diméthylamine et de formaldéhyde et l’indole en tant que nucléophile :

Fig. 14

Deux voies d’activation seront ici envisagées : par l’acide acétique8 et par le chlorure de zinc12.

 

 

II.    Synthèses

 

1)     Activation par l’acide acétique8

 

a.                  Matériels et produits nécessaires

 

1. Erlenmeyer de 100 ml

2. Erlenmeyer de 250 ml

3. Ballon monocol de 250 ml

4. Bain eau/glace

5. Agitateur magnétique + barreau aimanté

6. Filtre en verre fritté porosité N°3

7. Système de filtration sous vide

8. Solution à 40 % de diméthylamine dans l’eau

9. Acide acétique glacial

10. Solution à 35 % de formaldéhyde dans l’eau

11. Indole

12. Hydroxyde de sodium

13. Eau distillée

 

b.                 Mode opératoire

 

1. Placer 15,22 ml d’une solution à 40 % de diméthylamine dans l’eau dans un erlenmeyer et la refroidir à 5°C avec un bain eau/glace.

2. Ajouter à cette solution 13,34 ml d’acide acétique glacial, puis 6,97 ml d’une solution de formaldéhyde à 35 %. Laisser sous agitation pendant quelques minutes.

3. Placer 11,72 g d’indole dans un ballon de 250 ml.

4. Ajouter doucement la solution précédente dans le ballon contenant l’indole. La température monte doucement jusqu’à une cinquantaine de degrés. Laisser sous agitation douce pendant une nuit, à température ambiante.

5. Ajouter à la solution précédente une solution de soude préparée en dissolvant 14 g d’hydroxyde de sodium dans 150 ml d’eau.

6. Refroidir le milieu réactionnel au moyen d’un bain eau/glace pendant 2 heures.

7. Filtrer la solution sur filtre en verre fritté et essorer le solide.

8. Rincer le solide par 3 x 30 ml d’eau glacée et essorer le solide.

9. Recristalliser le solide dans un mélange eau/acétone (50/50) puis filtrer le solide.

9. Sécher le solide à l’étuve à 50°C.

 

2)     Activation par le chlorure de zinc12

 

a.                  Matériels et produits nécessaires

 

  1. Ballon monocol de 250 ml
  2. Agitateur magnétique + barreau
  3. Eprouvette de 50 ml
  4. Bécher de 25 ml
  5. Ampoule à décanter de 100 ml
  6. Filtre en verre fritté de porosité 3
  7. Système de filtration sous vide
  8. Bain eau/glace
  9. Solution à 40 % de diméthylamine dans l’eau
  10. Ethanol absolu
  11. Chlorure de zinc
  12. Solution à 35 % de formaldéhyde dans l’eau
  13. Indole
  14. Hydroxyde de sodium
  15. Acide chlorhydrique concentré
  16. Eau distillée
 

b.                 Mode opératoire

 

  1. Introduire dans le ballon, dans l’ordre suivant :

-         1,24 ml d’une solution de diméthylamine à 40 % dans l’eau

-         12,8 ml d’éthanol absolu

-         1,745 g de chlorure de zinc

-         0,67 ml d’une solution de formaldéhyde à 35 % dans l’eau

-         1 g d’indole

  1. Laisser sous agitation à température ambiante pendant 90 minutes.
  2. Diluer par 30 ml d’eau distillée. Ajouter 1,02 g d’hydroxyde de sodium dissout dans 4 ml d’eau.
  3. Extraire par 3 x 30 ml d’acétate d’éthyle.
  4. Concentrer la phase organique sous vide.
  5. Ajouter 30 ml d’eau au résidu après évaporation et acidifier par 2 ml d’acide chlorhydrique concentré.
  6. Filtrer si nécessaire.
  7. Ajouter une solution d’hydroxyde de sodium préparée en dissolvant 1,5 g d’hydroxyde de sodium dans 4 ml d’eau.
  8. Refroidir dans un bain eau/glace pendant 2 heures.
  9. Filtrer puis laver le solide par 3 x 20 ml d’eau.
  10. Essorer le solide sur le filtre puis le sécher à l’étuve.

 

 

III.   Résultats et discussion

 

1)     La réactivité de l’indole13

 

L’indole est un hétérocycle riche en électrons et peu ainsi réagir en tant que nucléophile. Deux positions sont envisageables pour cette réaction de substitution électrophile : C2 et C3.

La réaction peut se décomposer en deux temps : attaque de l’électrophile (qui est l’étape cinétiquement déterminante) et élimination d’un proton H+.

 

Fig. 15

 

En écrivant la formule de l’intermédiaire réactionnel, on se rend compte que le produit  résultant de l’attaque en C3 rompt l’aromaticité du benzène, ce qui est énergétiquement défavorable.

En revanche, l’intermédiaire résultant de l’attaque en C2 respecte l’aromaticité du benzène et la réaction nécessite ainsi moins d’énergie.

C’est donc l’attaque de l’électrophile en position C2 qui est majoritaire pour l’indole.

 

2)     Mécanismes réactionnels

 

Il s’agit ici de la réaction de la Mannich qui consiste à faire réagir un iminium (espèce électrophile) avec un nucléophile.

 

 

Fig. 16

 

Le formaldéhyde est tout d’abord protoné en milieu acide et réagit ensuite en tant qu’électrophile avec la diméthylamine ; Par prototropie puis élimination d’eau, on forme l’iminium (CH2N+Me2).

L’indole (nucléophile) réagit ensuite sur l’iminium (électrophile) en position C3. Par élimination d’un proton, on forme la gramine.

 

Le chlorure de zinc joue le même rôle d’activateur qu’un proton, en raison du caractère acide de Lewis de l’ion Zn2+.

 

3)     Les manips

 

  1. En milieu acide

 

On forme ici tout d’abord l’iminium à 0°C par mélange de l’amine et du formol dans l’acide acétique.

En milieu acide, la gramine formée est solubilisée par formation de l’ammonium (A). La gramine base (B) est libérée et précipite par passage en milieu basique :

 

Fig. 17

  

  1. Avec le chlorure de zinc

 

Une fois la gramine formée, on la fait précipiter par passage en milieu basique. Cependant, le milieu réactionnel contient également des ions zinc Zn2+ et par ajout de soude on fait également précipiter l’hydroxyde de zinc Zn(OH)2. La filtration pour récupérer la gramine n’est pas alors une solution acceptable ; On l’extrait donc par l’acétate d’éthyle.

La reprise du résidu après évaporation par une solution acide permet de solubiliser la gramine sous forme d’ammonium. La filtration permet d’éliminer certaines impuretés et le passage en milieu basique fait precipter la gramine que l’on peut alors filtrer sans problème.

 

4)     Résultats

 

En menant la réaction dans l’acide acétique, on obtient  14,81 g de gramine, soit un rendement de 85 %, θfus = 131°C.

En utilisant le chlorure de zinc comme activateur, la gramine est obtenu est obtenue avec un rendement de 98 % (1,45 g), θfus = 130 – 131°C.

 

La gramine brute, avant recristallisation se présente sous la forme d’une poudre blanche (θfus = 127 - 128°C).

 

Fig. 18

 

Par recristallisation, il est possible d’obtenir le produit sous forme cristalline présentant un point de fusion de 131°C.     .

 

Fig. 19

Ainsi, sur les deux méthodes d’activation envisagées, le chlorure de zinc donne très clairement les meilleurs résultats, avec un rendement quasi-quantitatif.

Cette méthode d’activation via un acide de Lewis est utilisée dans de nombreuses autres réactions organiques.

Dans ce cas, le temps de réaction est considérablement réduits et le produits obtenu est de pureté supérieure sans devoir passer par une recristallisation.

 

A noter toutefois que Xu et coll.14 ont travaillés à l’optimisation de la réaction de Mannich en milieu acide et arrivent à des rendements de 95,6 % en utilisant les ratios suivants :

indole / diméthylamine / formaldéhyde (1 / 1,1 / 1,2) et acide acétique / diméthylamine (2,5 / 1), la réaction ayant lieu à 40°C pendant 6 heures.

 

La gramine est un composé pouvant se dégrader à la lumière et son stockage s’effectue couramment à des températures inférieures à 4°C15.

 

Nous verrons dans une prochaine fiche comment préparer l’acide 3-indolacétique (auxine) à partir de la gramine.

 

5)     Analyses

 

-         Le spectre de masse est disponible ici16.

-         Le spectre IR est disponible ici16.

-         Le spectre RMN est disponible ici17.

 

6)     Produits utilisés18

 

- Acide acétique : C2H4O2 ; Inflammable, corrosif

Risque : R 10 : Inflammable.

              R 35 : Provoque de graves brûlures.

Conseils de prudence : S 23.2 : Ne pas respirer les vapeurs.

                                    S 26 : En cas de contact avec les yeux, laver immédiatement et abondamment avec de l’eau et consulter un spécialiste.

                                     S 45 : En cas d’accident ou de malaise consulter immédiatement un médecin (si possible lui montrer l’étiquette).

 

-         Acide chlorhydrique : HCl ; Corrosif

Risques : R 34 : Provoque des brûlures.

               R 37 : Irritant pour les voies respiratoires.

Conseils de prudence : S 26 : En cas de contact avec les yeux, laver immédiatement et abondamment avec de l’eau et consulter un spécialiste.

                                     S 36/37/39 : Porter un vêtement de protection approprié, des gants et un appareil de protection des yeux/du visage.

                                     S 45 : En cas d’accident ou de malaise consulter immédiatement un médecin (si possible lui montrer l’étiquette).      

 

-         Diméthylamine : C2H7N ; Facilement inflammable, nocif, corrosif

Risques : R 11 : Facilement inflammable.

                R 20/22 : Nocif par inhalation et par ingestion.

                R 34 : Provoque des brûlures.

Conseils de prudence : S 3 : Conserver dans un endroit frais.

                                    S 16 : Conserver à l’écart de toute flamme ou source d’étincelles. Ne pas fumer.

                                    S 26 : En cas de contact avec les yeux, laver immédiatement et abondamment avec de l’eau et consulter un spécialiste.

                                    S 29 : Ne pas jeter les résidus à l’égout.

                                    S 36/37/39 : Porter un vêtement de protection approprié, des gants et un appareil de protection des yeux/du visage.

                                     S 45 : En cas d’accident ou de malaise consulter immédiatement un médecin (si possible lui montrer l’étiquette).

 

-    Eau : H2O         

 

-         Ethanol : C2H5OH ; Facilement inflammable.

Risque : R 11 : Facilement inflammable.

Conseils de prudence : S 7 : Conserver le récipient bien fermé.

                                    S 16 : Conserver à l’écart de toute flamme ou source d’étincelles. Ne pas fumer.

 

-         Formaldéhyde : CH2O ; Toxique, cancérigène, sensibilisant.

Risques : R 23/24/25 : Toxique par inhalation par contact avec la peau et par ingestion.

                R 34 : Provoque des brûlures.

                R 40 : Effets cancérogènes suspectés.

                R 43 : Peut entraîner une sensibilisation par contact avec la peau.

Conseils de prudence : S 26 : En cas de contact avec les yeux, laver immédiatement et abondamment avec de l’eau et consulter un spécialiste.

                                    S 36/37 : Porter un vêtement de protection et des gants appropriés.

                                    S 45 : En cas d’accident ou de malaise consulter immédiatement un médecin (si possible lui montrer l’étiquette).

                                    S 51 : Utiliser seulement dans des zones bien ventilées.

 

-         Hydroxyde de sodium : NaOH ; Corrosif

Risque : R 35 : Provoque de graves brûlures.

Conseils de prudence : S 26 : En cas de contact avec les yeux, laver immédiatement et abondamment avec de l’eau et consulter un spécialiste.

 S 28.1 : Après contact avec la peau, se laver immédiatement et abondamment avec de l’eau.

 S 37/39 : Porter des gants et un appareil de protection des yeux/du visages.

 S 45 : En cas d’accident ou de malaise, consulter immédiatement un médecin (si possible lui montrer l’étiquette).

 

-         Indole : C8H7N ; Nocif.

Risque : R 22 : Nocif en cas d’ingestion.

Conseils de prudence : S 24/25 : Eviter le contact avec la peau et les yeux.

 

-         Chlorure de zinc : ZnCl2 : Corrosif, dangereux pour l’environnement.

Risque : R 34 : Provoque des brûlures.

Conseils de prudence : S 7/8 : Conserver le récipient bien fermé et à l’abri de l’humidité.

                                    S 28.1 : Après contact avec la peau, se laver immédiatement et abondamment avec de l’eau.

                                    S 45 : En cas d’accident ou de malaise, consulter immédiatement un médecin (si possible lui montrer l’étiquette).                             

 S 60 : Eliminer le produit et son récipient comme un déchet dangereux.

                                    S 61 : Eviter le rejet dans l’environnement. Consulter les instructions spéciales/la fiche de données de sécurité.

 

 

 

 

IV.   Bibliographie

 

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2.   Leete E., Phytochemistry, 14 471- 474 (1975)

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5.   Leete E., Phytochemistry, 14 471- 474 (1975)

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   b Leete E. Minich M.L. Phytochemistry 16 149-150 (1977)

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7.   Velluz L., Substances naturelles de synthèse, Vol 1, Masson et Cie, 1951

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16. http://www.aist.go.jp/RIODB/SDBS/cgi-bin/cre_index.cgi

17. Spectre RMN enregistré sur un spectromètre Brücker 500 MHz.

18. Index Merck, Produits chimiques et réactifs, 2002