Relations entre la structure chimique et l'odeur

Les besoins croissants de la parfumerie et de la cosmétique d'une part et la faible disponibilité et le prix élevé des matières premières d'autre part rendent indispensable la synthèse de molécules odorantes. Une première démarche dans ce but consiste à analyser très finement les essences naturelles, à identifier les composés d'odeur puissante et à en faire la synthèse. Ainsi la découverte de la ß-damascone a engendré une série de belles synthèses de cette substance et de ses analogues.
Une deuxième démarche consiste, comme on le fait en pharmacologie, à synthétiser des molécules nouvelles proches de molécules commerciales existantes. Compte tenu du prix de revient d'une synthèse, on est amené à établir entre la structure chimique des molécules connues et leur odeur des relations permettant de prédire l'odeur de molécules non encore synthétisées.
L'examen des propriétés physico-chimiques des substances permet de rendre compte du fait qu'elles sont odorantes ou non mais n'indique rien sur la qualité (boisée, musquée, florale, etc.) de l'odeur. Pour comprendre la qualité de l'odeur, il est nécessaire de décrire finement les interactions possibles de la molécule avec les récepteurs, à partir de caractéristiques chimiques appropriées, fort différentes de celles que l'on considère dans les réactions chimiques usuelles.

Les interactions molécule-récepteur

Il est maintenant bien établi que les récepteurs moléculaires portés par les cellules olfactives sont des protéines ressemblant à l'opsine impliquée dans la perception de la lumière. Les protéines sont particulièrement riches en groupements chimiques CONH, COOH et NH2 susceptibles de donner et de recevoir des liaisons hydrogène. On peut donc raisonnablement supposer que la reconnaissance des molécules par les récepteurs se fait, pour partie au moins, par l'intermédiaire de ces liaisons, qui sont très sensibles à la relation géométrique entre les éléments liés.

Par ailleurs, on peut s'attendre, par analogie avec les interactions connues en pharmacologie, à ce que les forces dites de van der Waals et les interactions hydrophobes jouent aussi un grand rôle. Ces forces s'exercent à très courte distance, entre des parties de molécule peu chargées, constituées essentiellement de carbone et d'hydrogène.

Enfin, alors que les molécules odorantes ne présentent pas de charge électrique globale, elles peuvent fort bien présenter des charges localisées, parfois importantes, qui entraînent la présence de dipôles dans la molécule. Les protéines des récepteurs présentant aussi des dipôles, on peut supposer des interactions entre ces dipôles, dans la mesure où leur orientation relative dans l'espace est convenable.

Les contraintes géométriques de l'interaction

Les trois types d'interaction mentionnés sont, pour des raisons différentes, très sensibles à l'orientation relative de la molécule et de son récepteur. Il en découle plusieurs conséquences importantes.
Une petite modification de structure, par exemple l'ajout d'un substituant de faible volume comme le groupement méthyle CH3, peut entraîner une modification suffisante de la géométrie pour que l'odeur change d'intensité ou de nature.
Deux molécules énantiomères, c'est-à-dire deux molécules qui possèdent exactement les mêmes éléments de structure mais sont images l'une de l'autre dans un miroir, peuvent avoir des odeurs différentes, ce qui illustre bien l'importance des relations spatiales entre les éléments de structure.

Deux substances chimiques possédant des structures différentes, par exemple au niveau des fonctions chimiques, peuvent néanmoins présenter la même note odorante, pourvu que des atomes jouant le même rôle se trouvent dans la même relation spatiale dans les deux molécules.

Les stratégies d'établissement de relations structure-odeur

Bien que les séquences des aminoacides composant les protéines réceptrices soit connues dans certains cas, la manière dont une molécule agit avec elles reste encore du domaine de l'hypothèse. A défaut de l'arme absolue qu'est la connaissance de la structure spatiale des protéines, les scientifiques utilisent une stratégie classique en pharmacologie qui consiste en quelque sorte à imaginer la serrure (la protéine) à partir d'un ensemble de clés (les molécules) qui ouvrent ou non la serrure (interagissent pour donner une odeur déterminée). Cette démarche a permis de rendre compte de l'odeur de milliers de molécules et aussi d'imaginer et de commercialiser des molécules nouvelles possédant une odeur intéressante, par exemple l'odeur de muguet. Elle exige la compilation, souvent difficile, d'une banque de données assez importante pour que des méthodes statistiques puissantes puissent être utilisées.

Quelques exemples de relations structure-odeur.

Les molécules à odeur de musc

Les composés musqués sont très utilisés en parfumerie pour leur odeur propre et pour leur effet fixateur. Les muscs naturels, dont le prix de revient est très élevé, sont peu utilisés de nos jours. A la fin du 19ème siècle on a découvert par hasard des composés aromatiques nitrés fortement musqués dont la structure chimique n'a apparemment rien à voir avec celle des muscs naturels. Les progrès considérables de la chimie organique ont ensuite permis de mettre sur le marché des muscs synthétiques appartenant à neuf familles chimiques différentes, fabriqués aujourd'hui en quantités importantes (environ 5000 tonnes par an dont 1000 pour le Galaxolide).

Des recherches ont montré que ces molécules si différentes avaient en commun des éléments de structure comme un groupement comportant un atome d'oxygène ou d'azote et un groupement t-butyle (comportant quatre atomes de carbone). Si ces éléments sont dans une relation spatiale convenable, en termes de distances et d'angles, le composé présente l'odeur musquée. Chacun des éléments peut être remplacé par un élément différent mais équivalent du point de vue des interactions avec le récepteur. Une fois ces caractéristiques établies, il devient plus facile de concevoir des molécules nouvelles ou de modifier des molécules existantes pour obtenir de nouveaux muscs.

Les molécules à odeur d'anis

 

Le système olfactif