Temhedron Vol. 48. No. 12 pp. 24154426.1992 Printed in Great Britain

oc-lo-4020/92 s3.00+.00 0 1992 Pergamon Press Ltd

T&om&res et Cot6lombes d’1ntM.t Biologique et BiomCdical VI# Activite Catalytique des T6lombes d&-k% du Tris (HydroxymCthyl)

AcrylamidomCthane

B.Boyera), G.Lamatya), J.M. Moussamou-Missimaa) A.A. Paviab), B. Puccib) et J.P. Roquea)’

a) Laborabi de Chimie Organique Physique, UniversiJ de Montpellier II Sciences et Techniques du L.anguedoc, Place E. Batailion, 34095 Mcntpellier Cedex 05, France.

b) Laboratoire de Chiiie Biwrganique, Faculti des Sciences d’Avignon, 33 rue Louis Pasteur, 84000 Avignon. France.

(Received in Belgium 22 January 1992)

Key Words : Telomers : Tris : non-ionic surfactants ; micelle ; catalysis.

m : Telomers derived from Tris-(hydroxymethyl)-acrylamidomethane (TAC) were investigated with respect to their catalytic properties on the base-catalyzed hydrolysis of para- nitrophenyl esters. In the presence of a carbonate buffer, TAC detergents enhance the reaction rate as a result of the stabilization of the negatively-charged transition state through hydrogen-bonding, with the hydroxyl groups of the surfactant. For a given ester, the catalytic effect depend8 upon the length of the hydrophobic chain and the size of the polar head. These factor8 are notably dependent upon the structure of the ester ; thus decanoate experiences a very significant catalytic effect. In addition, we have observed the peculiar behavior of the borate anion. In contrast to above observations, when the reaction was performed in a borate-buffered medium, the presence of TAC resulted in the inhibition of the reaction as a result of the formation of a negatively-charged tridentate complex between borate ion and Tris residue8 of the surfactant.

w: Le present travail conceme Etude des proprieds catalytiques dune classe d’agents amphiphiles il structure telomere dMvts du Tris (hydroxym&hyl) acrylamidom&hane (TAC), dans la reaction d’hydrolyse baso-catalyske d’esters de para-nittophenyle. Dans un tampon carbonate, les TAC accblerent la reaction en raison vraisemblablement dune stabilisation de Mat de transition consecutif a 1’Ctablissement de liaisons hydrogenes avec les groupes hydroxyles de la t&e polaire du tensioactif. Pour un ester don&, l’effet catalytique depend de la longueur de la chaine hydrophobe et de la grosseur de la tEte poke. L’importance de ces facteurs est module par la StI’UChrC de l’ester. Ainsi, le decanoate subit un t&s fort effet catalytique. De plus, nous avons mis en evidence le comportement particulier du tampon borate, qui inhibe la m&me reaction probablement & cause de la formation, avec les motifs Tris. dun complexe trident6 charge negativement.

INTRODUCTION

Lorsqu’un substrat organique reagit dans l’eau, sa vitesse de reaction peut i%re modifike par addition dun tensio-actif : il y a alors catalyse micellaire. Cette catalyse rksulte d’associations plus ou moins sp&Sques entre le substrat et les micelles qui se forment dts que la concentration de ce demier atteint ou depasse une certaine

# Partie I-V , voir rbfbrence 8 et refkrences citCes. * A qui toute correspondance doit Ctre adresske.

2415

2416 B. BOYER et al.

valeur appelee “concentration micellaire critique” (cmc). Les effets catalytiques mesures en presence de tensio-actifs ioniques sent le plus souvent dfis au fait que

pour la fraction de substrat qui n5agit dans la phase micellaire on peut observer une stabilisation ou une destabilisation de l’ttat de transition, s’il est charge, par interaction kctrostatique avec les &es polaires du tensio-actif.

Les tensio-actifs cationiques acc&rent les reactions dont Mat de transition est charge negativement, mais inhibent celles dont Mat de transition est charge positivement. La situation est invers6e avec un tensio-actif anionique 1, 2, 3.

Avec les tensio-actifs non ioniques, dont la tete polaire est gCnCralement un enchainement polyoxy&hylCnique. les effets catalytiques sont le plus souvent faibles ZI cause de l’absence dint&actions Clectrostatiques fortes 23 4. Darts le cas dune reaction d’hydrolyse on observe une leg&e inhibition : l’equilibre d’association du substrat avec les micelles le protege en partie de l’attaque de l’eau 5. Un effet catalytique

notable n’est observk que si la reaction est t&s sensible ZL la polarid du milieu 69 7. Dans cet article, nous nous proposons d’examiner les effets de catalyse micellaire en presence dune

nouvelle famille de tensio-actifs non ioniques obtenus par dlomCrisation du Tris (hydroxymethyl) acryhunidomWane8 dont la structure est rep&e&e ci-dessous :

CH3-(CHZ)m_I-SH + n CH2= CH-(CO)-NH-C(U$OH),

- CH,-(CH,),_,-S-(CH,-FH-),H AIBN C(0)-NH-C(CHzOH)3

TiSte hydrophile Terminaison hydrophobe

Ces tensio-actifs sent design& TAC c”,, m correspondant au nombre de carbones de la chaine lipophile et

n au nombre de motifs acrylamido de la pat-tie hydrophile. Leur mode d’obtention permet de faire varier les param5tms n et m et par voie de consequence la valeur de

la balance hydrophile-lipophile. Ces tensio-actifs non ioniques possedent de nombreux groupes hydroxyles dans la partie polaire,

susceptibles d’interagir par liaison hydrogene avec un substrat, propriete que ne pkentent pas les tensio-actifs non ioniques conventionnels, et notamment le Tween 20 utilid ici pour comparaison.

Nous avons voulu savoir si de telles interactions Ctaient susceptibles d’entrakr un processus catalytique. Pour cela nous avons choisi d’etudier l’influence de divers TAC sur l’hydrolyse basique de l’hexanoate et du dkcanoate de paranitrophCnyle.

Telomi?res et cott+lon-&es-VI 2417

RESULTATS ET DISCUSSION

Hydrolyse de I’hexanoate de p-nitrophknyle (HPNP)

Le mecanisme communCment accept6 pour l’hydrolyse basique des esters est represent6 par Nquation suivante :

OH

’ f- lent

R-C-O

NO2 + OH- - c’ O-0

NO2 - Produits

-

La premiere &ape de la reaction est lente et conduit B un intermediaim &acoordonn6 char& negativement. La loi de vitesse Gcrit : V = k:! [OH-] [Ester] Comme on travaille dans un tampon, [OH-] est constant, la reaction est du pseudo-premier ordre et la loi

de vitesse devient : v = kxp [ester] avec : kexp= kz [OH-lo

Connaissant la concentration en ion OH-, il est facile de calculer la constante de vitesse bimoh?culaire : k = b&KM,

La constante de vitesse d’hydrolyse basique du HPNB a Cd mesun% a pH 10,4 (tampon carbonate) dam l’eau et en presence de divers TAC, a des concentrations variant de 0,156 a 1OmM. A titre de comparaison, nous avons CtudiC, dans le meme domaine de concentration, l’effet du Tween 20, tensio-actif non ionique commercial (Figure 1).

S(CH,CH,O),-H

(CH&H$%&CCl1H23 w+x+y+z=20

Figure 1 : Tween 20

L’effet catalytique est mesure par le rapport @ = kmic/kH20 expression dans laquelle kH20 mpr&ente la

constante de vitesse d’hydrolyse en l’absence de tensio-actif et kmic celle mesutie en presence de tensio-actif. Les variations de kv sont repr&ent6es graphiquement sur la figure 2.

Cette figure fait apparaitre une difference de comportement entm le Tween 20 et les TAC : une acc&ration est observee avec les TAC (kw >l) tandis que le Tween 20 provoque une inhibition (w < 1). Cette demiere,

est relativement faible ; elle r&.ulte comme il a Cte observe avec des tensio-actifs non ioniques de ce type5 dune certaine protection du substrat par adsorption dans la phase micellaire.

2418 B. BOYER et al.

Les TAC, au contraire, accbl&rent la reaction. L’Ctat de transition de la reaction &ant charge negativement on peut penser qu’il est stabilist par liaison hydrog&ne avec les gmupes hydroxyles de la t&e polaire du tensio-

actif. Pour les TAC qui ont sensiblement la m&e tgte polaim (5 a 6 unites acrylamido) mais qui dift&ent par la

longueur de la chaine hydrophobe, on remarque que l’efficacite catalytique depend de la longueur de cette chalne et passe par un maximum lorsqu’elle contient 12 atomes de carbone. Le TAC G poss&le la cmc la plus 6lev&?,

48 mM, et naturellement I’effet catalytique n’apparait qu’a des concentrations sup&ieures.

TWEEN 20 b__ q 1

c. , ~25 2.5 5

Figure 2 : Influence de la longueur de la chaine hydrophobe des TAC sur l’effet catalytique de l’hydrolyse basique du HPNP. (Tampon carbonate 0,025 M, pH = 10,4. En l’absence de tensio actif, la constante de

vitesse d’hydrolyse du HPNP est kHzo = 8,50 l.mol-l.s-1. [I-IPNB]~6,25.10-5).

Sur la figure 3, est representee l’holution du pouvoir catalytique des TAC en fonction de l’importance de

la Ote hydrophile. Chaque paire de tensioactif correspond B des composes ayant la meme chalne hydrophobe, mais des dtes

polaires dont la grosseur est diff&ente : le nombre de groupes acrylamido varie environ du simple au double.

On remarque que dans les deux cas, et surtout lorsque la chaine hydrophobe contient 10 carbones, l’augmentation de la zone polaire des micelles s’accompagne dune plus forte acceleration.

Telomeres et cotelom&s-VI 2419

Figure 3 : Influence de la grosseur de la t&e polaire des TAC sur l’effet catalytique. de l’hydrolyse basique du HPNP. (Tampon carbonate 0,025 M, pH = 10,4. En l’absence de tensio actif, la

constante de vitesse d’hydrolyse du HPNP est kHzC = 8,50 l.mol-l.s-l. cHpNB]o=6,25.10-5).

Hydrolyse du dkcanoate de p-nitrophbnyle (DPNP) L’ttude de ce substrat a longue chaine hydrophobe est plus complexe a cause de son comportement

particulier. I1 a en effet et6 montre par MENGER’) que ce type de mol&zule, en raison de son cam&m amphiphile, a tendance a s’agreger en solution aqueuse. RCcemment nous avons pu confiier plus directement ce phCnomi%e par la mesure. d’effets de solvants to. Cette agregation a pour consequence de proteger la fonction

ester de l’attaque de lion hydroxyle ce qui conduit ?I une reactivite anormalement basse. En fait la constante de

vitesse mesuree depend de la concentration initiale en ester. Dam le cas du DPNP, nous avons observe une

reaction d’ordre 1 avec une r6activitk faible, mais constante, si la concentration initiale est supkrieure ou kgale a 125 IO-6 M : 2 ces concentrations on mesum la mactivite de Tester agr6ge.

A des concentrations comprises entre 12.5.10-e et 6.25.10-e M la cinetique n’est pas strictement d’ordre

1, la constante de vitesse instantanCe augmente sensiblement au cours de la reaction. Cette derive indique que l’esptce associee predomine en debut de reaction mais devient assez rapidement minoritaire. Enfin aux concentrations initiales en ester inf&ieures a 6,25 M la cinttique a tendance a redevenir exponentielle, mais la

constante de vitesse mesuree depend encore de la concentration initiale ; dans ce domaine de faibles concentrations, l’ester sous forme libre est de plus en plus preponderant.

A l’aide dun spectrophotometre SAFAS 170 DES permettant d’opdrer avec de faibles variations de densid optique, nous avons chemhe 31 determiner la mactivite du DPNP sous forme non agreg& Pour cela nous avons mesurk, 2 forte dilution, sa constante de vitesse 21 plusieurs concentrations (tableau I).

2420 B. BOYER et al.

Tableau I : Constantes de vitesse (IQ) d’hydrolyse du d6canoate de para-nitrophenyle (DPNP) B differentes concentrations initiales dam l’eau*)

0,16.10-6 0.32.10-6 1.87.10-e 6.25.10-6

0,002s 0,005 0.03 0,lO 0,95 0,92 0,87 0.60

tk (25*0,1)0c;Tanrponcmbo~~e(pH =10,4)

La precision sur les constantes de vitesse a la plus faible concentration est relativement modeste (= 10%) mais l’ensemble de ces valeurs permet de faire une extrapolation B dilution infinie qui conduit a la valeur kH20 =

0,95 l.mol-Is-1 pour la constante de vitesse d hydrolyse du DPNP dans l’eau sous forme non associ6e. La catalyse micellaire, w, sur l’hydrolyse du DPNP a Cte dCtermin&e avec plusieurs TAC en pmnant

comme reference cette valeur de constante de vitesse darts l’eau. Les r&ultats sont rep&ends graphiquement SUX la figure 4.

[TA] m M

Figure 4 : Effet catalytique w, en fonction de la concentration en TAC dam l’hydrolyse basique du DPNB

(Tampon carbonate 0,025 M, pH = 10,4 en l’absence de tensio-actif, et a dilution infinie, la constante d’hydrolyse du DPNP est kH20 = 0,95 1 mol-1 .s- 1 (voir texte) pPNB]o = 1,25.10-5M)

Comme avec l’hexanoate on observe une acceleration de la reaction dont l’importance depend de la longueur de la chsine hydrophobe du tensio-actif. L’effet catalytique est maximum pour une chaine a 12

carbones. Par rapport au HPNP on note toutefois des effets catalytiques notablement plus importants 1iCs au

caractere plus hydrophobe du substrat. De plus on observe avec les TAC en Ca et en Clo un phenomene

Telomi%es et cot6lom&ms-VI 2421

d’inhibition aux faibles concentrations qui precede l’acceleration observe% lorsque la concentration en tensio- actif est augment& Cc comportement peut s’expliquer de la facon suivante. L’addition du tensio-actif dam le milieu a un double effet :

i) 11 acc&re l’hydrolyse de la fraction de substrat qui n?agit dans la phase micellaire. c’est le phenomene proprement dit de catalyse micellaim.

ii) Par adsorption du substrat darts la phase micellaire, il conduit a la dissociation des agr6gats du substrat et le rend de ce fait plus r&ctif.

Pour avoir une bonne pr&ision sur les constantes de vitesse mesumes en presence de TAC, nous avons op&e avec une variation de densid optique convenable (AD - 0,2), soit ?t une concentration initiale en DPNP de l,2S.lO-5M. A cette concentration le substrat est majoritairement agrege. L’addition de TAC 21 chaine courte (C8 et ClO) et a faible concentration ne permet pas, par manque d’interactions hydmphobes suffisantes, d’adsorber

et done de dissocier la plus grande partie du substrat. Dans ces conditions le substrat magit majoritairement dam la phase aqueuse sous forme agregee, done avec une faible mactivitd Comme l’effet catalytique w est mesure

par rapport a la reactivite du substrat isole dans l’eau, on comprend que l’on puisse d’abord observer une inhibition. Pour ces mEmes TAC B courte chalne, mais ?I concentration plus Levee, ou pour les tensio-actifs homologues a plus longue chaine quelle que soit leur concentration, le substrat est majoritairement localid dans la phase micellaire ; il est non associe et subit la catalyse micellaire. Des lors on observe une acdl&ation de la r&ctionl 1.

On notera enfin que lorsqu’on augmente la grosseur de la ti3e polaim, comme avec le HPNP on observe

une amplification du ph&tomi?ne catalytique.

Effet particulier du tampon borate

Au cours de ce travail nous avons constatd un comportement particulier du tampon borate. Nous avons determine les valeurs de kv pour le HPNP en presence du TAC C$ dam un tampon carbonate @H = 10,4) et

dans un tampon borate @H = 9,98). Ces valeurs sont repartees sur la figure 5. Dans le tampon carbonate on observe une acceleration de la maction par un processus que nous avons

pr&&lemment expliqu6. Au contraire, dam le tampon borate, une inhibition est enregism5e.

11 est probable que lion borate forme avec les groupes hydroxymethyles du tensio-actif un complexe tridente (Qure 6) phenomene bien connu avec les monosaccharides12.

0 / \

-C-NI-C-CH2- 0-B’-oH

b \ /

CH2--0

Figure 6 La formation de ce complexe peut expliquer l’effet d’inhibition observe. En effet, si un tel complexe se

forme, dune part il peut ennainer une variation du pH puisqu’il se fait au detriment bun constituaut du tampon, d’autre part il provoque une modification de la couche polaire des micelles avec apparition de charges negatives. Dans ce dernier cas, non seulement il y a mobilisation plus ou moins grande des groupes hydroxyles qui

2422 B. BOYER et al.

stabilisaient l&t de transition par liaison hydmgene, mais encore la presence de charges negatives est de nature 21 dkabiliser l&t de transition chargk negativement.

I k*

r- UlloNAn! I

h, , . 1.35 2.5 5 [TPff”M

Figure 5 : Influence du tampon sur l’hydrolyse basique du HPNB en presence de TAC CTe (0 = 25,O’C ; la

concentration des tampons est de 0,025 M, [HPNBO], = 6.25.10-SM.)

Pour apporter tme confiition de la formation dun complexe, nous avons mesure l’t%olution du pH et de la conductivid dun tampon carbonate ou dun tampon borate auxquels sont progressivement ajouds soit du Tween 20 soit du TAC $6. Les variations observtes sont reptisendes graphiquement sur la figure 7 pour le

tampon carbonate et sur la figure 8 pour le tampon borate.

*l/R (mS)

@

)PH

.Tween 20 2.

*-e-.-----e ll_ o TAC C& @

-

- l_

. Tween 20 Q=Q-o--,-,__ -.

o TAC Cf6 lo_ . l -

1 l c 1 2,s 5 23 5 73

Figure 7 : Variation de la conductance (l/R) et du pH par addition de Tween 20 ou de TAC t$ a un tampon carbonate de concentration 12,5 mM.

T6lom&es et codlomks-VI 2423

41/R (mS) @

Tween 20 I’qy--c*-.-•__._

APH @

10. Tween 20

l -•-•- ._--_. _

TAC Cy6 \ .2.-.--.-.-

G... , * 1 L 2,5 5 7,5 10

I I [ TA 3 mM

Z5 5

Figure 8 : Variation de la conductance (l/R) et du pH par addition du Tween 20 ou du TAC <6 a un tampon

borate de concentration : a) 12,5 mM ; b) 6,25 mM ; c) 2.50 mM.

On note que quelque soit le tampon consider& l’addition de Tween 20 ne modifie que t&s peu tant la conductivite du milieu que son pH. Ce rtsultat Ctait p&visible puisque ce tensio-actif ne peut reagir chimiquement avec le tampon. La situation est diff6rente avec le TAC ($6. 11 n’a pas plus d’effet que le Tween

20 sur le tampon carbonate (figure 7) par contre il modifie sensiblement la conductkite et le pH du tampon

borate (figure 8). Ces rksultats confirment l’hypothbse de la formation de complexe trident6 entre l’ion borate et le TAC C$. La variation de pH du milieu s’interprkte par une consommation bun constituant du tampon.

De m&e la diminution de la conductlvid du milieu s’explique par le remplacement progressif de petits ions (les

ions berates) par des ions volumineux (les complexes trident&) engages dans l’agn5gat micellaire. Un examen plus d&ill6 met en evidence l’influence de la concentration du tampon sur ces variations. Plus

le tampon est dilud (courbes a, b et c de la figure 8B) et plus l’addition de TAC $6 affecte le PH. En ce qui

conceme la conductivite on remarque qu’aux faibles concentrations en tampon (courbes b et c de la figure 8A), elle diminue puis atteint un palier et ce d’autant plus rapidement que le tampon est plus dilue. La prtknce dun palier indique un phenomene de saturation : lorsque la quasi totalite des ions borates est complexee, la conductkid est peu affect& par addition complementaim de TAC $6. Cette situation est d’autant plus facile a

n%liser que la concentration initiale en ion borate est plus faible.

En comparant les r&.ultats de la figure 5 et de la figure 8B, on remarque que la rktlvid est din&u& par un facteur de 5 quand la concentration en TAC <, passe de 0,16 a 10 mM pendant que le pH diminue de p&s

de 0,8 unite. On peut done conclure que la variation de pH suffit a rendre compte de la perte de rkctivite. Cest done le facteur pnklominant.

2424 B. BOYER et al.

Enfin dans un precedent travaill3~ nous avions etudid l’effet catalytique darts l’hydrolyse d’esters dun tensio-actif glycosidique : le N- (undec- IO-enyl) lactobionamide. Nous avons voulu verifier si l’effet particulier des ions borates observe avec les TAC intervenait Cgalement dans le cas de ce tensio-actif polyhydroxyle.

Pour cela. nous avons &udiC l’hydrolyse baso-catalyde de l’hexanoate de para-nitrophenyle en pnknce de micelles du tens&a&f glycosyle dans un tampon borate ou carbonate. Les r&hats sont report& sur la figure 9.

______________--_-,J-

_9_r’------- o _d

/--

1 ,/-

5 .’ /’

0’ . ,’

/’ /’

Figure 9 : Influence du tampon sur l’hydrolyse basique du HPNB en pnknce du N-(undec-lO-enyl) lactobionamide

Comme nous l’avons deja signale, on observe une catalyse dans le cas du tampon carbonate ?I partir de la cmc. Au contraire, en presence du tampon borate, on observe une leg&e inhibition. La formation bun complexe

avec les ions borates se fait done tgalement avec ce tensio-actif glycosidique.

CONCLUSION

Ce travail a mis en evidence des propridds originales dune nouvelle famille de tensio-actifs non ioniques. Contrairement a la plupart des composes conventionnels, ils sont capables d’interagir avec un substrat par liaisons hydrogenes. 11 en rest&e des effets catalytiques qui peuvent &re modules par modification de la structure du tens&a&f.

La nature particuli&re de la ti?te polaire de ces tensio-actifs conduit B une maction spkifique avec les ions

borates qui tend 2 transformer les micelles non ioniques en micelles anioniques par formation de complexes trident& du bore.

Telomeres et cot&omtks-VI 2425

PARTIE EXPERIMENTALE

Les diff6rents telom&res ont 6t6 prkpar& selon des modes opkatoires d6ja dkcrits*. Les esters et le Tween 20 utili& darts cette &de sont des produits commerciaux.

. . Etudes cmiruw a) PrCparation des solutions

Les solutions de tensio-actifs sont preparks dam I’eau h 7 concentrations comprises entre 0.3 et 20 mM. Les solutions tampons (NaHC03, pH = 10,4 ; Na2 B4 07, pH = 9.98) ont et6 pr6par6es selon les

m&odes usuelles. Les solutions meres des esters ont et6 prkparees en utilisant l’acetonitile comme solvant. Les

concentrations de ces solutions sont de 6,lO-3 M pour le HPNP et de l,2S.lO-3 M pour le DPNP.

b) Cinhiques

La solution cinttique est obtenue en injectant 20 pl de la solution mere d’ester dans la cuve de mesure

contenant, comme la cuve de rkference, 1 ml de solution tampon et 1 ml deau ou de solution aqueuse micellaire.

La cinetique d’hydrolyse basique des divers esters a Cte suivie en mesurant, en fonction du temps, l’apparition de lion p-nitrophtnolate a 400 nm sur un spectrophotombtre U.V. GILFORD 250.

Toutes les mesures ont Cu? effect&es a 250 f 0,l’C. Les cinetiques ont Cd suivies jusqu’a plus de 80 % d’avancement de la reaction. Le lissage des courbes D = f(t) pexmet d’acckder aux valeurs des constantes de vitesse. experimentales bxp, chaque constante de vitesse est la moyenne d’au moins trois determinations independantes avec une precision meilleure que 3%.

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2426 B. BOYER et al.

1 I- Nous avons contr6lt l’evolution de la reaction au cows du temps par hydroxyaminolyse (test d&it dam “Spot Tests in Organic Analysis” de F. Feigl, Elsevier Scientific Publishing Company, N.W., 1966, p. 212) en presence de TAC $8 dam des conditions de concentrations sup&ieures au seuil de detection.

On enregistre une coloration violette franche en debut de &action tant que la concentration en a&ate de para-nitrophCnyle est significative. Cette coloration diminue avec le temps pour disparaftre en fin de &action (contile paraWe). Aucune trace d’ester ne subsiste ce qui &mine l’hypothkse d’une acylation du

TAC. 12- Angyal S. J. et MC Hugh J. , J. Chem. &x.,1957, 1423. . 13- Boyer B. , Lamaty G. , Moussamou-Missima J. M. , Pavia A. A. , Pucci B. et Roque J. P. , Eur.

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