2.1.1 β-peptoïdes

La méthode submonomère a été adaptée pour permettre l’accès aux β-peptoïdes, homologues des α-peptoïdes. Il s’agit également d’une méthode itérative en deux étapes : le squelette du β-peptoïde est formé par acylation de l’extrémité N-terminale avec le chlorure d’acryloyle puis la chaîne latérale est introduite par une réaction d’aza-Michael d’une amine primaire sur l’intermédiaire acrylamide (Fig. 4) [10a].

Les conditions de synthèse supportée des β-peptoïdes ont été beaucoup moins étudiées et optimisées que celles des α-peptoïdes. À l’heure actuelle elles ne permettent pas la synthèse de longs oligomères avec une pureté et un rendement suffisant. Pour remédier à ce problème, Shuey et al. ont utilisé une approche supportée par couplage de blocs (dimères ou trimères β-peptoïdes) [22]. Des oligomères longs de 18 unités ont ainsi pu être obtenus. Les auteurs ont également montré que la synthèse en solution par la méthode submonomère était le moyen le plus efficace pour obtenir les « blocs » en grande quantité. Par ailleurs, une optimisation des conditions réactionnelles en solution ainsi que l’utilisation d’amines primaires volatiles a permis la préparation de tétramères à l’échelle du gramme en sept étapes sans purification chromatographique intermédiaire (Fig. 5) [23]. Il faut noter que la modification des fonctions alcène, alcyne et amine tertiaire portées par les chaînes latérales, après assemblage du squelette (post-modification), permet l’introduction d’une grande diversité structurale.

Récemment, la méthode monomère supportée a été exploitée pour la préparation d’un 16-mère en utilisant DIC/HOAt comme agent de couplage [24].

2.1.2 α,β-Peptoïdes

Les α,β-peptoïdes ont été introduits en 2009. Seule une méthode de synthèse en solution a été développée [11]. Elle combine les méthodes submonomères des α- et β-peptoïdes pour la construction d’oligomères α,β-alternés allant jusqu’à six résidus. Les plus longs oligomères sont obtenus par couplage peptidique de blocs. Comme en série β, l’accès sans chromatographie intermédiaire à des α,β-tétrapeptoïdes à partir d’amines volatiles a également été mis au point [23].

2.1.3 Arylopeptoïdes

L’insertion d’un groupement aryle dans le squelette des peptoïdes permet d’obtenir des aminométhylbenzamide N-alkylés. Ces oligomères ont été décrits pour la première fois par Zuckermann à Chiron Corporation dans une série de brevets¹ puis par le groupe de Lokey [12a]. Uniquement des pentamères avaient été préparés par synthèse submonomère supportée utilisant des acides halogénométhylbenzoïques, ce qui n’avait pas permis d’étude approfondie de ce squelette, notamment d’un point de vue conformationnel. De récentes améliorations des voies d’accès à ces oligomères en solution et sur support permettent maintenant l’élaboration de bibliothèques d’arylopeptoïdes en série méta et para allant jusqu’aux 12-mères (Fig. 6) [12b,25]. Les premiers résultats concernant les propriétés de structuration de ces oligoamides aromatiques dépourvus de NH d’amides sont encourageants. Une première synthèse submonomère a été mise au point utilisant, une étape de couplage de l’acide chlorométhylbenzoïque à l’aide de COMU, un sel d’uronium dérivé de l’oxyma (2-cyano-2-(hydroxyimino) acétate d’éthyle) [25a]. Bien que très efficace, cette méthode s’est montrée peu adaptée pour l’introduction de chaînes latérales encombrées de type (S)-1-phényléthyle (spe) ou tBu. L’utilisation de chlorure d’acides dans l’étape d’acylation a permis de remédier à ce problème (Fig. 6) [25b]. Des résidus peptoïdes incorporant des hétérocycles aromatiques de type pyrazine, furane, oxazole et thiazole ont été récemment introduits dans des oligomères α-peptoïdes [26].

2.2.1 N-hydroxy/alcoxy-peptoïdes et azapeptoïdes

Ces deux familles de peptoïdes ont été préparées selon la méthode submonomère en utilisant des hydroxylamines O-substituées lors de l’étape de substitution. Les temps de réaction des substitutions nucléophiles sont plus longs en raison d’une plus faible réactivité des hydroxylamines utilisées, par rapport à celle des amines servant habituellement à la synthèse des peptoïdes. La synthèse est décrite en solution pour les oligomères N-hydroxy [13] (Fig. 7a) et en phase solide pour les oligomères N-alcoxy [14] (Fig. 7b). Les N-hydroxy-peptoïdes sont obtenus dans un premier temps sous forme benzylée et une hydrogénolyse en présence de Pd/C sous pression atmosphérique permet d’obtenir les motifs N-hydroxy-peptoïdes. Dans le cas de la synthèse supportée des N-alcoxy-peptoïdes, des conditions douces de coupure de la résine Rink amide sont nécessaires (TFA à 7,5 %) afin d’éviter la coupure de la chaîne latérale.

Les azapeptoïdes² constitués d’unités acylhydrazides glycines ont été proposés récemmment par Kodadek et al. [15a] (Fig. 7c). Leur synthèse supportée est réalisée par la méthode submonomère en utilisant des acylhydrazides dans l’étape de substitution. Une bibliothèque de 10 000 tétramères a été préparée sur une résine Tentagel selon une approche split and pool. La structuration des azapeptoïdes n’a pas encore été étudiée. Il a seulement été montré que les amides adoptent très préférentiellement la géométrie trans, aussi bien dans le squelette qu’au niveau des chaînes laltérales. Les unités « peptoïdes hydrazides » ont déjà été envisagées comme substitut de proline dans un peptide, mais leur oligomérisation n’est pas encore rapportée [27].

3.1.1 Énergétique de l’isomérie cis/trans des amides N,N-disubstitués

Les peptoïdes sont caractérisés par une flexibilité de squelette importante qui s’explique par :

• • l’absence de substituant sur les carbones Cα ;
• • la capacité réduite du squelette peptoïde à établir des liaisons hydrogènes intramoléculaires ;
• • la présence d’amides N,N-disubstitués qui sont en équilibre entre les formes cis et trans.

À cet égard on peut faire une analogie entre les peptoïdes et les séquences peptidiques contenant des prolines (Fig. 8a). Ces dernières forment un amide N,N-disubstitué avec le résidu qui les précède. La majorité des protéines contenues dans la PDB contiennent au moins un amide cis, et sur l’ensemble, 5,7 % des amides Xaa-Pro sont dans la conformation cis [28a]. Dans les deux cas, peptoïdes et amides Xaa-Pro, l’isomérie cis/trans s’explique en partie par une moins grande différentiation stérique entre les conformations cis et trans, en comparaison de celle qui existe dans le cas des amides des peptides. Les chaînes alkyles α-branchées conduisent par exemple à des proportions équivalentes d’amides cis et trans (Kcis/trans ∼ 1). La chaîne latérale phényléthyle (pe) très largement employée dans le domaine des peptoïdes induit une légère préférence pour la géométrie cis en raison d’effets stéréoélectroniques (vide infra) (Fig. 8b).

La cinétique d’isomérisation cis/trans étant lente à l’échelle de temps des expériences RMN, les spectres RMN de peptoïdes, en général très complexe, résultent de la combinaison des spectres des différents rotamères [28b]. L’isomérie cis/trans est certes responsable d’une hétérogénéité conformationnelle, mais le squelette polyglycine des peptoïdes possède néanmoins une propension à adopter des conformations préférentielles typiques qui sont présentées ci-après.

3.1.2 Structures secondaires adoptées par les α-peptoïdes

Les premières études portant sur la structuration des peptoïdes furent menées à partir de séquences portant exclusivement des chaînes latérales α-branchées chirales. L’hélice de type polyproline I (PPI) avec tous les liens amides cis, trois résidus par tour d’hélice et un pas d’environ 6 Å, est une conformation majoritairement rencontrée pour ce type de séquences ; l’hélicité droite ou gauche étant dictée par la stéréochimie de la chaîne latérale. Cette structuration a été initialement prédite [29] puis démontrée à partir d’homooligomères portant des chaînes latérales aromatiques. Par exemple, l’homo-pentamère (Nspe)₅ constitué de résidus (S)-N-(1-phényléthyl)glycines forme majoritairement en solution une hélice droite [30]. Les oligopeptoïdes portant des chaînes latérales aliphatiques α-chirales adoptent également une structure hélicoïdale. Une analyse par diffraction des RX a clairement mis en évidence une conformation de type PPI, d’hélicité gauche pour un pentamère constitué de résidus (R)-N-(1-cyclohexyléthyl)glycines (Nrch) (Fig. 9a) [31]. Le spectre de dichroïsme circulaire (DC) de ce pentamère dans l’acétonitrile, bien que d’intensité relativement faible, est également caractéristique de l’hélice PPI avec un maximum vers 210 nm et deux minima vers 200 et 225 nm. La faible intensité du signal dichroïque révèle en fait une hétérogénéité conformationnelle en solution, provenant de l’isomérie cis/trans des liens amides (Kcis/trans ≈ 1 dans l’acétonitrile, mesuré par RMN 2-D). Il faut noter qu’une hétérogénéité du même ordre de grandeur caractérise le pentamère (Nspe)₅ à chaînes latérales aromatiques. Une étude systématique par DC des homooligomères (Nrpe) comportant de trois à 20 résidus a permis de mettre en évidence un effet coopératif : le caractère hélicoïdal s’accroît jusqu’à 12 résidus [32]. La séquence du peptoïde est particulièrement importante dans le cas d’oligomères courts, comme l’ont montré Barron et al. sur une série d’hexamères [33a] : l’hélicité est favorisée lorsque les séquences sont constituées d’au moins 50 % de résidus à chaînes latérales chirales et aromatiques, ou bien lorsque l’hélice présente une ou plusieurs faces aromatiques, ce qui est le cas lorsque les chaînes aromatiques sont positionnées tous les trois résidus (position i, i+3). La présence d’une chaîne latérale α-chirale à l’extrémité C-terminale est également un facteur favorable. Le groupe de Barron a également montré dans le cas d’un oligopeptoïde hydrosoluble (36-mère) que la structure hélicoïdale était relativement insensible à l’environnement, que ce soit la nature du solvant (eau, MeOH, TFE), une élévation de température ou encore la présence d’un agent dénaturant tel que l’urée [33b].

La construction d’hélices de type PPI homogènes et stables en solution n’a été rapportée pour la première fois qu’en 2011 par Blackwell et al. [34]. Ce résultat unique repose sur l’utilisation de la chaîne latérale N-1-naphthyléthyle (1npe) très encombrée stériquement, qui a été incorporée dans des homo-oligomères de taille variable (1–13 mers) (Fig. 9b). L’homogénéité conformationnelle, appréciée grâce au rapport global Kcis/trans est déjà très élevée pour le dimère Ac-(s1npe)₂-COOtBu (Kcis/trans = 16) et est totale dès le tétramère Ac-(s1npe)₄-COOtBu (Kcis/trans > 19). La cristallographie des quatre premiers membres de la famille (monomère-tétramère) a permis de vérifier à l’état solide, la conformation cis des amides, et la concordance des angles dièdres avec ceux de structures PPI de peptides.

La conformation « threaded loop » caractérisée pour la première fois en 2006 [35], est spécifique de nonamères et repose sur l’établissement de quatre liaisons hydrogène intramoléculaires impliquant les carbonyles des résidus 2, 5, 7 et 9 et les extrémités N-terminale (sous forme d’ammonium) et C-terminale (CONH₂) (Fig. 10a). Dans cette conformation, le peptoïde est replié sur lui-même et forme une boucle approximativement plane qui comporte autant de liaisons amide cis (c) que trans (t), selon la séquence c-c-t-t-t-c-t-c. Cette conformation atypique est particulièrement stable dans le cas de chaînes latérales chirales aromatiques phényléthyle (pe) [32] les composés à chaînes aliphatiques, tels que H-(sch)₉-CONH₂ et H-(ssb)₉-CONH₂ se structurent de façon similaire mais avec un caractère dynamique plus marqué (Fig. 10b). Dans les solvants protiques, tels que le méthanol et le trifluoroéthanol, la conformation en boucle disparaît au profit d’une structure hélicoïdale. Des études complémentaires ont montré que la conformation en boucle pouvait être stabilisée au dépend de l’hélice, et inversement, par l’incorporation en des positions clés de la séquence de chaînes latérales aromatiques électrodéficitaires [36].

La conformation hélicoïdale de type PPI est la conformation préférentiellement adoptée par les peptoïdes. La structure de type polyproline II (PPII), dont tous les liens amides sont trans est néanmoins également rencontrée avec les peptoïdes. Les travaux de Kirshenbaum et al. ont montré que cette conformation était envisageable dans le cas d’oligomères constitués d’unités N-Arylglycines [37]. Les amides substitués par des groupes aryle montrent en effet une préférence marquée, souvent supérieure à 90 %, pour la conformation trans. Cette préférence, étudiée sur des modèles de type N-méthylacétanilide serait le résultat d’une répulsion électronique entre les groupes phényle et carbonyle au sein d’un même amide (Fig. 11a) [38]. Le contrôle de la conformation trans par les chaînes aryle a pu être vérifié au sein de structures cristallines de dimères et de macrocycles portant des chaînes alkyle et phényle. C’est une étude par modélisation moléculaire d’un hexamère N-(phényl)glycine qui a permis de montrer que la structure PPII, avec environ 3,1 résidus par tour et un pas de 9 Å, était énergétiquement favorable. En l’absence totale de carbone chiral, le sens de l’hélice n’est évidemment pas contrôlé. Un phénomène d’atropoisomérie est cependant observé pour des N-aryl peptoïdes portant des groupes phényle ortho-substitués (tBu, I), dont la rotation (angle dièdre χ1) est contrainte (Fig. 11b). Cette stratégie a permis au groupe de Kirshenbaum de réaliser une énantioséparation d’anilides modèles [39].

3.1.3 Préférences conformationnelles des β- et α,β-peptoïdes

Aucune structure secondaire n’a encore pu être mise en évidence pour les β- et α,β-peptoïdes. L’étude de leur structuration se limite essentiellement à des analyses par dichroïsme circulaire. Indépendamment l’un de l’autre, les groupes d’Arvidsson [40] et d’Olsen [41] ont étudié par DC des homooligomères β-peptoïdes présentant des chaînes spe (Fig. 12a), afin de pouvoir les comparer à des spectres de référence en série α-peptoïde. Les spectres DC à double minima (∼200 et 220 nm) montrent une similitude avec ceux des α-peptoïdes Nspe qui adoptent la conformation PPI. Cette similitude pourrait être le signe d’une structuration hélicoïdale comme prédit par Hofmann et al. [42a], mais en l’absence de données à haute résolution³, la seule certitude est que les β-peptoïdes linéaires adoptent en solution un ensemble de conformations privilégiées. Les α,β-peptoïdes ont également été surtout étudiés par DC en raison de la complexité des spectres RMN proton, engendrée par l’hétérogénéité conformationnelle cis/trans [11,43]. La proportion cis/trans des amides a pu être déduite d’expériences NOESY sur de courts oligomères (Fig. 12b). Les spectres DC des oligomères α,β-peptoïdes présentant de façon alternée 50 % de chaîne spe et 50 % de chaîne benzyloxyéthyle (be) (Fig. 12c), montrent également de fortes similitudes avec ceux des α-peptoïdes Nspe hélicoïdaux. Ils sont caractérisés par deux maxima négatifs à 200 et 222 nm et une intensité du signal dichroïque comparable. En revanche, en contraste avec les α-peptoïdes Nspe, ni effet coopératif, ni même aucun effet de température ne sont observés pour la famille α(Nbe)β(Nspe) linéaire. Ces résultats s’expliquent peut être en partie par la séquence α(Nbe)β(Nspe) qui ne présente qu’une chaîne latérale chirale sur deux. Des études complémentaires doivent maintenant être menées sur des séquences α(Nspe)β(Nspe) ne présentant que des chaînes chirales. L’influence du nombre de chaînes latérales chirales et de leur positionnement sur les unités α ou β a été étudiée sur des octamères en série cyclique [44]. L’un des composés (Fig. 12d) possédant six chaînes spe et deux chaînes be positionnées sur des unités β opposées dans le cycle a permis l’obtention du premier cliché de diffraction des RX de la famille α,β-peptoïde. Il est à noter que ce même composé possède un spectre RMN ¹H mieux résolu que ceux de composés apparentés et que son signal dichroïque, plus intense que celui de son homologue linéaire est sensible à une élévation de température.

3.1.4 Structures secondaires adoptées par les N-hydroxy et N-alcoxy-peptoïdes

Les substitutions N-hydroxy [13] ou N-alcoxy [14] permettent un excellent contrôle de la géométrie des amides correspondants. Des études RMN sur le monomère N-hydroxy Ac-NOH-Pip (CDCl₃) et les homodimères Ac-(NOH)₂-Pip (CDCl₃) et Ac-(NOrpe)₂-NH₂ (CD₃CN) ont montré le caractère trans des amides pour ces peptoïdes (Fig. 13). Cette préférence s’expliquerait par des considérations stériques, l’oxygène des N-hydroxy/alcoxyamides crée moins d’encombrement qu’un groupe alkyle. Par ailleurs, une répulsion électronique entre l’oxygène lié à l’azote et le carbonyle de l’amide défavorise la conformation cis. Dans le cas du monomère Ac-NOH-Pip, le déplacement chimique du proton NO-H à 8,26 ppm dans CDCl₃ montre son implication dans une liaison H qui pourrait s’établir soit de façon intramoléculaire comme montré sur la Fig. 13, soit de façon intermoléculaire, comme révélé par DRX à l’état solide. Le dimère Ac-(NOH)₂-Pip forme des agrégats dans CDCl₃, même à de faibles concentrations. À l’état solide un arrangement de type feuillet antiparallèle est observé (Fig. 14).

Les N-alcoxy-peptoïdes portant la chaîne O-(1-phényléthyle), (Orpe), ont été étudiés jusqu’à sept résidus de longueur, notamment par DC dans l’acétonitrile. Un effet coopératif est observé par accroissement de la longueur des oligomères, ce qui est un signe de structuration, mais une fois encore il est surprenant de constater que les spectres DC ressemblent à ceux des α-peptoïdes (Npe) [30], β-peptoïdes [40,41] ou encore α,β-peptoïdes [11].

Les N-alcoxyamides sont caractérisés par une pyramidalisation de l’azote, comme montré sur le N-méthoxy-N-méthylacétamide. L’optimisation de géométrie de ce modèle a ensuite servi à construire un modèle hexamèrique (NOspe)₆ révélant, comme pour les N-Arylpeptoïdes une conformation de type PPII.