Analyse conformationnelle de solutés par RMN en milieu faiblement orientant et modélisation...

Analyse conformationnelle

de solutés par RMN en

milieu faiblement orientant

et modélisation moléculaire

Maria Enrica Di Pietro, Christie Aroulanda

Denis Merlet & Giuseppina De Luca

Analyses structurale et conformationnelle de molécules anti-inflammatoires non-stéroïdiens

(AINS)

Acide phénylsalicylique HO

O

OH

Flurbiprofène

O

OH

F

*(R,S)

O

HO

OH

F

F

Diflunisal

Relations structure-activité : activité biochimique influencée par : ▪ structure 3D ▪ distribution conformationnelle pour un solvant donné

enjeu dans l’évaluation et le développement de nouveaux médicaments

enjeu dans l’évaluation et le développement de nouveaux médicaments

Structures voisines de l’aspirineStructures voisines de l’aspirine Structures voisines de l’ibuprofèneStructures voisines de l’ibuprofène

Influence de la nature du solvant

Solvants cristal-liquides variés (thermotropes & lyotropes,

faiblement & fortement orientant),

Analyses structurale et conformationnelle de molécules anti-inflammatoires non-stéroïdiens

(AINS)

Présence d’atomes de fluor

Influence sur la géométrie et/ou la distribution

conformationnelle?

DiflunisalAcide phénylsalicylique

modèles de solvants isotropes de diverses natures

polymère

poly--benzyl-L-glutamate (PBLG)

co-solvant

phase cristal liquide nématique chirale

nB0

CH2 CH2 CO2 CH2 PhC

NH

CO

H *

n

• CHCl3, CH2Cl2• THF, 1,4-dioxane• Pyridine• DMF

Des solvants cristaux liquides faiblement orientant

Ɵij

rij

n

COUPLAGES DIPOLAIRES

éclatements quadripolaires

(I ≥ 1)

informations sur l’ORIENTATION, la STRUCTURE

anisotropies de déplacement

chimique

nB0

spectres RMN à haute résolution

j

i

milieu liquide

Jij

iiso

Jij

jiso

milieu cristal-liquide

Tij

ianiso

Tij

janiso

Observables RMN

anisotropes

Des informations supplémentaires sur les spectres RMN

(i) molécules rigides

320exp

8ij

ijjiij

r

SD

couplage spin-spin total

Tij = Jij + 2Dijexp(noyaux non

eq.)Tij = 3Dij

exp (noyaux eq.)

Ɵij

rij

n

COUPLAGES DIPOLAIRES

informations sur l’ORIENTATION, la STRUCTURE

et la CONFORMATION

couplage spin-spin total

Tij = Jij + 2Dijexp(noyaux non

eq.)Tij = 3Dij

exp (noyaux eq.)

nB0

spectres RMN à haute résolution

j

i

milieu liquide

Jij

iiso

Jij

jiso

milieu cristal-liquide

Tij

ianiso

Tij

janiso

Observables RMN

anisotropes


(ii) molécules flexibles

ddPDD LCijij ),(),(exp



ddTk

U

TkU

P

B

LC

B

LC

LC,

exp

,exp

),(

Piso () décrit la distribution conformationnelle du soluté dans un solvant virtuel de mêmes propriétés physico-chimiques que le solvant orienté utilisé, à l’exclusion de sa capacité à induire une orientation

d

Tk

U

Tk

U

P

B

Biso

int

int

exp

exp

)(

Nul dans un solvant isotropeContient le couplage conformation/orientation

Pthéo()

Approche « Mean-Field »Approche « Mean-Field » : le soluté est le siège d’un potentiel soluté-solvant ULC lorsqu’il est dans son orientation et dans une conformation décrite par

,LCU intU ,extU

ddr

SPddPDD

ij

ijLCjiLCijij

)(

)(),(

8),(),(

320exp

comparaisoncomparaison



Additive Potential « AP-model »

modèles Uext & Uint

En pratique : Echantillonnage de la PES; seuls les N conformères majeurs sont pris en compte dans la description de l’orientation finale observée du soluté

Maximum Entropy « ME-model »

),( LCPmodèle

« AP-DPD model »« AP-DPD model »

))(exp(,,,, 20

1

0ll

N

jljljll

MELC kANP

ddr

SPddPDD

ij

ijLCjiLCijij

)(

)(),(

8),(),(

320exp

ddTk

U

TkU

P

B

LC

B

LC

LC,

exp

,exp

),(

• coefficients 2,m() conformation-dépendents

• amplitude : fonction de la « force » anisotrope de l’interaction soluté/solvant

• développé sous la forme : 2,

,,2,2 mp

jppm j D

OH

HO

O

F

F

HO

O

F

F

OH

a

a

b

a

b

a

εringA2,0

εringA2,2

εringB2,0

εringB2,2εCF

2,0

εCC2,0

Contribution de chaque sous-unité rigide j au potentiel Uext

Nombre de paramètres 2,p(j) par sous-unité rigide j fonction de sa

symétrie INCONNUS à déterminer

Contribution de chaque sous-unité rigide j au potentiel Uext

Nombre de paramètres 2,p(j) par sous-unité rigide j fonction de sa

symétrie INCONNUS à déterminer

J. W. Emsley, G. R. Luckhurst, C. P. Stockley, Proc. Roy. Soc. A, (1982) 381, 117

Application du modèle AP-DPD au diflunisal : Uext

O

HO

OH

F

F A B

mm

mext CU ,22,0,2,

Application du modèle AP-DPD au diflunisal : Uint

2

2max,

2exp

2 k

k

sconformère

kiso h

AP

O

HO

O

F

F

Hφ

avec 1max, 2

max, h1 = h2

& A1 (A2 = 1 - A1)

INCONNUS à déterminer

G. Celebre, G. De Luca, J.W. Emsley, E.K. Foord, M. Longeri, F. Lucchesini, G. Pileio, J. Chem. Phys., (2003) 118, 61417

d

Tk

U

Tk

U

P

B

Biso

int

int

exp

exp

)(

2couples de 2 conformères

knk

n nVU cos,

int Modélisation habituelle/historique dans les thermotropes

Direct Probability Distribution

(DPD)

22

2max,22

22

2max,22

21

2max,11

2

21

max,11

2

180exp

22

180exp

2

2

360exp

22exp

2

h

A

h

A

h

A

h

APiso

Modélisation moléculaire du diflunisal

C10

C9 C8

C7

C12C11

C5

H12H11

F10

H9

C4 C3

C2

C1C6

C13

O

H3

H6

H4F8

H13O

H2

O

φ=C4C5C7C8

transφ= +43.2 P =30%

transφ= -43.2 P =30%

cisφ= -135.2

P =20%

cisφ= +135.2 P =20%

Optimisation de géométrie, puis scan rigide de la PES (DFT B3LYP/6-31++G**, in vacuo,

G09)

Optimisation de géométrie, puis scan rigide de la PES (DFT B3LYP/6-31++G**, in vacuo,

G09)

φ

théoP

MODELES

THEO. DONNEES

EXP.

MOD. MOL.

CONFORM.

détermination de la géométrie des N confomères utiles

Stratégie analytique

PLC(,))

traitement du couplage de la distribution

conformationnelle du solutéavec sa distribution

orientationnelleRMN dans des solvants cristal-liquide

(faiblement orientant)

AP-DPD

détermination de la distribution conformationnelle via la PES : Ptheo()

Piso()

com

par

aiso

n

com

par

aiso

n

MODELES

THEO. DONNEES

EXP.

MOD. MOL.

CONFORM.

O

HO

OH

F

F A Bφ

théoP

εringA2,0 , εringA

2,2

εringB2,0 , εringB

2,2

εCF2,0 , εCC

2,0

φ1max , φ2

max

h1 = h2

A1 (A2 = 1 - A1)

Stratégie analytique : un processus itératif

40 Dijexp:

21 sur le cycle A9 sur le cycle B

10 entre les cycles

AP-DPD

10 inconnues ddr

SPD

ij

ijLCji

calcij

)(

)(),(

8 320

Piso()

Analyses structurale et conformationnelle du diflunisal

transφ= +45.5 P =28%

transφ= -45.5 P =28%

cisφ= -138.9

P =22%

cisφ= +138.9

P =22%

Piso(φ)


Piso(φ)Ptheo(φ)

transφ= +45.5 P =28%

transφ= -45.5 P =28%

cisφ= -138.9

P =22%

cisφ= +138.9

P =22%


MODELES

THEO. DONNEES

EXP.

MOD. MOL.

CONFORM.

Stratégie analytique : un processus itératifHO

O

OH

Acide phénylsalicylique

A B

εringA2,0 , εringA

2,2

εringB2,0 , εringB

2,2

εCC2,0

φmax h1 = h2

φR

Pthéo()

AP-DPD

7 inconnues dd

r

SPD

ij

ijLCji

calcij

)(

)(),(

8 320

27 Dijexp:

10 cycle A13 cycle B

4 inter-cycles

Piso()

φ = 140.6° φ=-140.6° φ = -39.4°φ = 39.4°

P = 0.25

P = 0.25

P = 0.25

P = 0.25

φ

Pthéo() Calculs théoriques DFT B3LYP/6-31+

+G**

Effet des atomes de fluor sur la distribution conformationnelle


HO

O

OH RMS = 0.32

φ = 140.4° φ = -140.4° φR = -39.6°φ = 39.6°

P = 0.25

P = 0.25

P = 0.25

P = 0.25

φ

Piso()Résultats expérimentaux

Effet des atomes de fluor sur la distribution conformationnelle

O

HO

OH

F

F

Diflunisal


HO

O

OH RMS = 0.32

φ = 140.4° φ = -140.4° φR = -39.6°φ = 39.6°

P = 0.25

P = 0.25

P = 0.25

P = 0.25

φ

Piso()Résultats expérimentaux

φ

Piso()

φ = 138.9° φ= -138.9°

φ = -45.5°φ= 45.5°

P = 0.28

P = 0.22

P = 0.22

P = 0.28

RMS = 0.35

Conclusions & Perspectives

Etude de l’influence des atomes de fluor sur la distribution conformationnelle

Application de la méthodologie à d'autres AINS possédant :

Illustration de l'efficacité de la RMN dans les solvants cristaux liquides faiblement orientant pour l’analyse conformationnelle de molécules biologiquement activesPremière application du modèle AP-DPD dans ces solvants

NaproxèneO

OH

O

*(S)

Flurbiprofène

O

OH

F

*(R,S)

Piso(φ)

Ptheo(φ)

plusieurs rotors indépendants ou couplésun centre stéréogène R

CH3

OH

O

φ1

φ2

ϑ/°φ/°

Piso (ϑ, φ)

Piso(φ) diflunisalacide phenylsalicylique

/ ppm

19F

1HH4 H12

H6

H9+H11+H3

H2

F10 F8

DiflunisalTHF-d8

COOH

OH

F8

F10

H3H4

H6H12H11

H9

Jij Tij

Spectres RMN 1D & 2D 1H, 13C & 19F (Bo = 9.4 T) en abondance naturelle de:

Diflunisal THF

PBLG

1H

19F

/ ppm

H4H12

H6

H9+H11+H3

H2

F10 F8

Dijexp

Etude RMN du Diflunisal

▪ spectres 1H et 19F compliqués

nouvelle expérience GET-SERF

COOH

OH

F8

F10

H3H4

H6H12H11

H9

▪ mais DHF indispensables

Diflunisal THF

PBLG

1H

19F

/ ppm

H4H12

H6

H9+H11+H3

H2

F10 F8

Etude RMN du Diflunisal

M. E. Di Pietro, C. Aroulanda, D. Merlet, J. Magn. Reson., (2013) 234,

101

Data for Data for diflunisaldiflunisal

C10

C9 C8

C7

C12C11

C5

H12H11

F10

H9

C4 C3

C2

C1C6

C13

O

H3

H6

H4F8

H13O

H2

O

40 Dijexp21 for ring A

9 for ring B10 inter-ring

A B

NMR DATA

11

12

14 13

9

10

3

7 8

6

54

H27

F26

H25 F24

H28 H15 16

O20

H22H23

O17

O18

H19

H21

i,jDij

exp / Hz

DijAP-DPD / Hz

i,jDij

exp / Hz

DijAP-DPD / Hz

H25-H27 2.3 ± 0.2 2.2 C14-F26 -3.1 ± 1.1 -3.2

H27-H28

-22.2 ± 0.3

-22.1 H15-H22 2.0 ± 0.3 1.3

H25-F24

-18.9 ± 0.3

-18.3 H15-H23 1.4 ± 0.2 1.7

H25-F26 2.7 ± 0.3 2.1 H22-H23

-22.5 ± 0.3

-23.0

H27-F24 0.5 ± 0.3 0.5 C4-H15 31.8 ± 0.4 31.7

H27-F26 -0.6 ± 0.3 -1.0 C4-H23 0.3 ± 0.4 0.5

H28-F24 1.9 ± 0.3 1.8 C7-H15 0.5 ± 0.4 1.1

H28-F26 -2.3 ± 0.3 -2.6 C7-H23

-24.9 ± 0.4

-24.8

F24-F26 -1.6 ± 0.3 -1.5 C8-H22 30.0 ± 0.4 30.0

C10-H28 3.7 ± 0.4 4.1 C8-H23 -9.0 ± 0.4 -10.0

C11-H27 13.8 ± 0.4 13.8 H15-F24

- 6.3 ± 0.3

- 6.6

C14-H25 4.7 ± 0.4 4.4 H15-H25

- 2.3 ± 0.3

- 2.4

C14-H27 0.8 ± 0.4 1.1 H15-F26 -2.0 ± 0.5 -1.6

C10-F24 0.9 ± 0.5 0.9 H15-H27

- 2.3 ± 0.3

- 2.2

C10-F26 -1.5 ± 0.5 -1.5 H15-H28 -5.1 ± 0.2 -5.4

C12-F24 -0.4 ± 0.5 -0.4 H23-F24 -0.9 ± 0.3 -0.6

C12-F26

-32.7 ± 0.5

-32.5 H23-H25

- 1.5 ± 0.3

- 1.1

C13-F24 8.0 ± 0.5 8.3 H23-F26 -1.1 ± 0.5 -0.7

C13-F26 -1.4 ± 0.5 -1.3 H23-H27

- 1.5 ± 0.3

- 1.0

C14-F24 -3.1 ± 1.1 -3.4 H23-H28

- 2.5 ± 0.2

- 2.3

φ1max

/° 45.5 ± 2.1

φ2max

/° 41.1 ± 1.2

h1 = h2 /°

10

A1 0.56

RMS 0.35

inter-cycles

A B

11

12

14 13

9

10

3

7 8

6

54

H27

F26

H25 F24

H28 H15 16

O20

H22H23

O17

O18

H19

H21

i,j Dijexp/Hz i,j Dij

exp/Hz

H25-H27 2.3 ± 0.2 C14-F26 -3.1 ± 1.1

H27-H28 -22.2 ± 0.3 H15-H22 2.0 ± 0.3

H25-F24 -18.9 ± 0.3 H15-H23 1.4 ± 0.2

H25-F26 2.7 ± 0.3 H22-H23 -22.5 ± 0.3

H27-F24 0.5 ± 0.3 C4-H15 31.8 ± 0.4

H27-F26 -0.6 ± 0.3 C4-H23 0.3 ± 0.4

H28-F24 1.9 ± 0.3 C7-H15 0.5 ± 0.4

H28-F26 -2.3 ± 0.3 C7-H23 -24.9 ± 0.4

F24-F26 -1.6 ± 0.3 C8-H22 30.0 ± 0.4

C10-H28 3.7 ± 0.4 C8-H23 -9.0 ± 0.4

C11-H27 13.8 ± 0.4 H15-F24 - 6.3 ± 0.3

C14-H25 4.7 ± 0.4 H15-H25 - 2.3 ± 0.3

C14-H27 0.8 ± 0.4 H15-F26 -2.0 ± 0.5

C10-F24 0.9 ± 0.5 H15-H27 - 2.3 ± 0.3

C10-F26 -1.5 ± 0.5 H15-H28 -5.1 ± 0.2

C12-F24 -0.4 ± 0.5 H23-F24 -0.9 ± 0.3

C12-F26 -32.7 ± 0.5 H23-H25 - 1.5 ± 0.3

C13-F24 8.0 ± 0.5 H23-F26 -1.1 ± 0.5

C13-F26 -1.4 ± 0.5 H23-H27 - 1.5 ± 0.3

C14-F24 -3.1 ± 1.1 H23-H28 - 2.5 ± 0.2

inter-cycles

A B

THF

δH

TH11F8 = 0

Hz

COOH

OH

F8

F10

H3H4

H6H12H11

H9

TH6F

8

TH12F

8

TH6F

8

TH4F8 = 0

Hz TH12F

8

H6 H4H12

H9+H11+H3

texp = 13 min

H9 +H3+H11

TH9F

8

TH3F8 = 0

Hz TH4H12

TH4H12

TH4H12 TH4H12

M. E. Di Pietro, C. Aroulanda, D. Merlet, J. Magn. Reson., (2013) 234, 101

Application de la séquence RMN GET-SERF au diflunisal

Data for phenylsalicylic Data for phenylsalicylic acidacid

Analyse conformationnelle de solutés par RMN en milieu faiblement orientant et modélisation...

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