L’échographie et un catalyseur fabriqué à partir de plantes accélèrent la synthèse de quinoléines

Une équipe de chimistes a mis au point une méthode rapide à base d’eau pour fabriquer huit composés de type quinoléine-chromène jamais décrits auparavant, selon un article de ScienMag. Le procédé utilise des ultrasons et un nanocatalyseur recyclable préparé avec l’aide du pétasite, une plante médicinale.

La réaction a produit les molécules cibles en 15 minutes à 25 degrés Celsius, avec des rendements compris entre 93 et 97 %. Elle a été décrite dans le Journal of Saudi Chemical Society par Shahrzad Abdolmohammadi, de l’Université islamique Azad de Téhéran, et ses collaborateurs d’Azerbaïdjan, de Jordanie et d’Inde.

Ce résultat répond à un défi persistant de la chimie médicinale : construire efficacement des molécules complexes tout en réduisant l’utilisation de solvants dangereux, la consommation d’énergie et les déchets chimiques. La nouvelle méthode combine un milieu réactionnel aqueux, une énergie acoustique et un catalyseur constitué de cuivre, d’oxyde de zinc et d’oxyde de graphène.

Une réaction en trois parties dans l’eau

Les composés appartiennent à la famille des [1]benzopyrano[b]dioxolo[g]quinoléines. Leurs structures réunissent trois types de systèmes cycliques : un benzopyrane, également appelé chromène ; un dioxole ; et une quinoléine. Ces structures sont importantes dans la recherche pharmaceutique, car des molécules apparentées ont été associées à des effets antibactériens, antiviraux, antitumoraux et antiprolifératifs.

Pour fabriquer les nouveaux composés, les chercheurs ont combiné de la 4-hydroxycoumarine, différents aldéhydes aromatiques et de la 3,4-(méthylènedioxy)aniline. Le mélange a été placé dans l’eau et exposé à des ultrasons de 80 watts en présence d’une petite quantité de Cu/ZnO@GO, un catalyseur composite dans lequel des particules d’oxyde de zinc dopées au cuivre sont fixées à de l’oxyde de graphène.

Le catalyseur et les ultrasons ont été bien plus efficaces ensemble que séparément. Sans catalyseur, la réaction a produit un rendement de 20 % après 300 minutes sous reflux. Les ultrasons utilisés sans nanocomposite ont produit un rendement de 48 % en 15 minutes. Dans les conditions retenues, toutefois, le système combiné a atteint un rendement maximal de 97 % avec 0,05 gramme de catalyseur dans 3 millilitres d’eau.

Les chercheurs ont également testé l’éthanol, le dichlorométhane, l’acétonitrile et le diméthylformamide. Aucun de ces solvants n’a donné d’aussi bons résultats que l’eau. Plusieurs autres catalyseurs ont été évalués, mais aucun n’a égalé les résultats du nanocomposite.

Les ultrasons agissent en créant puis en faisant imploser de minuscules bulles dans le liquide. Ce processus, appelé cavitation acoustique, génère de brèves zones de haute température et de haute pression, améliorant le contact entre les réactifs et le catalyseur solide. Bien que ces conditions soient intenses à l’échelle microscopique, le mélange réactionnel lui-même reste à température ambiante, ce qui évite de devoir chauffer l’ensemble du récipient.

Un catalyseur produit avec un extrait de pétasite

La préparation du catalyseur a également été conçue autour d’une chimie moins dangereuse. L’équipe a fabriqué les nanoparticules d’oxyde de zinc et contenant du cuivre à partir d’un extrait aqueux de Petasites hybridus, communément appelé pétasite. Le rhizome séché et réduit en poudre de la plante a été infusé dans de l’eau déionisée bouillante, et l’extrait obtenu a contribué à réduire et à stabiliser les nanoparticules en formation.

L’acétate de zinc et le chlorure de cuivre ont fourni les composants métalliques. Les particules ont ensuite été combinées à de l’oxyde de graphène au moyen d’une autre étape de croissance assistée par un extrait végétal. L’oxyde de graphène sert de support, car il offre une grande surface spécifique, une stabilité chimique et thermique, ainsi qu’un coût relativement faible. L’ancrage des particules contenant les métaux sur ce support contribue à maintenir la dispersion du matériau actif.

Toute une série de techniques analytiques a confirmé la composition et la structure du composite. Les mesures infrarouges ont identifié les liaisons zinc–oxygène et cuivre–oxygène. La diffraction des rayons X a détecté la forme hexagonale wurtzite de l’oxyde de zinc ainsi que des signaux liés au cuivre. La microscopie électronique a montré des particules à peu près sphériques fixées à l’oxyde de graphène, tandis que l’analyse élémentaire a confirmé la présence des composants attendus.

Le catalyseur pouvait également être récupéré après utilisation. Les chercheurs l’ont séparé par centrifugation, lavé à l’éthanol et séché avant de le réintroduire dans une autre réaction. Il a conservé son activité pendant au moins quatre cycles sans baisse substantielle de ses performances, ce qui laisse penser que sa réutilisation pourrait contribuer à limiter à la fois la consommation de matériaux et les coûts.

Une activité antioxydante parmi les nouvelles molécules

Les chercheurs ont proposé que la réaction se déroule en plusieurs étapes liées. Le catalyseur active d’abord l’aldéhyde, qui réagit avec le composant aniline. La 4-hydroxycoumarine s’ajoute ensuite à l’intermédiaire ainsi formé, puis surviennent la fermeture du cycle, la perte d’eau et la formation de la structure finale fusionnée.

La méthode a toléré des aldéhydes aromatiques portant des groupes électrodonneurs tels que méthoxy, hydroxy et méthyle, ainsi que des groupes électroattracteurs, notamment bromo, chloro, cyano et nitro. Les aldéhydes aliphatiques ont donné de moins bons résultats, apparemment parce que leur point d’ébullition plus bas leur permet de s’évaporer pendant la sonication.

Quatre produits ont été testés au moyen d’un essai de piégeage des radicaux libres DPPH, qui mesure l’activité antioxydante grâce à un changement de couleur enregistré à 517 nanomètres. Les chercheurs les ont comparés aux antioxydants commerciaux BHT et TBHQ. Le TBHQ a été le plus performant dans l’ensemble, tandis que le composé 4e, qui contient un groupe hydroxyle sur son cycle aryle, a montré une activité proche de celle du BHT à 1 000 parties par million.

Les tests biologiques ne permettent pas d’établir que ces composés sont des médicaments. Ils indiquent toutefois que cette famille chimique pourrait justifier des recherches supplémentaires, notamment parce que les dommages oxydatifs ont été associés à des maladies telles que le diabète, le cancer, l’athérosclérose et la maladie d’Alzheimer. La principale contribution de l’étude est une plateforme de synthèse rapide qui associe, au sein d’un même procédé, l’eau, les ultrasons, la préparation d’un catalyseur assistée par une plante et la réutilisation du catalyseur.