Etude de la cycloaddition 1,3-dipolaire des ylures de pyridinium pour le développement de nouvelles réactions de ligations fluorogéniques

In the course of investigations aimed at designing fluorescent metal-free click ligations for application in bioconjugation and drug design, we turned our attention to the use of azomethine-ylides as dipoles for [3+2] cycloadditions. In this regard, pyridinium-ylides, generated in situ from suitable pyridinium salts, are of great interest due to their good reactivity with activated alkynes, such as propiolic acid derivatives or conjugated alkynes. In addition, the corresponding fluorescent indolizines are formed in a regioselective manner and any catalyst is required. From the outset, we defined a specific set of requirements for these ligations, most notably that they be biocompatible (i.e. physiological conditions, pH 7, room temperature) and that the starting reagents could be readily functionalized with the reporter group(s) or biomolecule(s) of choice. To this end, we screened a series of pyridinium salts as suitable 1,3-dipoles. The reactivity patterns observed correlate well with the pKa of the pyridinium (ylide formation) and with the electron-withdrawing character of the pyridinium ring substituent. This enabled us to identify the 4-acetyl and 4-cyano pyridinium salts suitable for ligation with propiolic esters and amides in the desired biological conditions. The synthetic strategies used to prepare the “two partners” for this [3+2] cycloaddition are described, and our preliminary results on their applications as “click” reactions are reported in particular the formation of heterodimeric tacrine derivatives (acetylcholinesterase inhibitors) or the design of fluorescent tripodal scaffold useful in chemical biology.L'objectif de ce travail est la mise au point de réactions de chimie « click » fluorogéniques permettant le développement de nouveaux outils chimiques et/ou la conception d'édifices bioactifs par l'assemblage des sous-unités fonctionnalisées en présence de la cible biologique. La cycloaddition 1,3-dipolaire des ylures de pyridinium a ainsi été réalisé en conditions physiologiques (H2O, pH neutre, TA), pour la mise en œuvre de réactions de couplages pouvant être biocompatibles. En effet, les ylures de pyridinium ont l'avantage d'être facilement générés in situ à partir des sels correspondants et de mener régiosélectivement, sans catalyseur métallique, à des indolizines fluorescentes après cycloaddition. Pour cela, la synthèse et la réactivité des différents partenaires de la cycloaddition ont été étudiés, tout comme l'optimisation des conditions expérimentales. Tout d'abord, deux types de dipolarophiles se caractérisant par leur caractère déficient en électrons, ont été sélectionnés: les dérivés de l'acide propiolique (amides et esters) obtenus selon une synthèse biocatalysée utilisant les lipases (CAL B), et les alcynes conjugués à des structures hétérocycliques (quinoléine, pyridine). Concernant le dipôle, à partir d'une petite famille de sels de pyridinium (diversement fonctionnalisés) ou de cycles apparentés, l'influence de la nature et de la position des substituants a été évaluée au niveau du pKa, de la réactivité (selon une réaction modèle faisant intervenir le propiolate d'éthyle), et de la fluorescence du cycloadduit. Les résultats expérimentaux, complétés par une approche de chimie théorique, ne nous permettent pas à ce jour d'expliquer la très bonne réactivité à température ambiante des dipôles portant un groupement électro-attracteur en position 4 du sel de pyridinium (sélection des sels de cyano- et acétyl-pyridinium pour nos applications). Enfin, la fonctionnalisation des précurseurs a été effectuée par l'introduction de diverses fonctions réactives dont des amides, pour obtenir une réaction de chimie « click » facilement applicable et généralisable. La preuve de concept est en cours de réalisation au laboratoire, avec la synthèse de molécules dimériques dérivées de la tacrine, pour la conception d'inhibiteurs de l'acétylcholinestérase. La seconde application porte sur la post-fonctionnalisation des indolizines et la synthèse de structures trimériques (plateforme d'assemblage fluorescente