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Alexis St-Gelais, chimiste – Vulgarisation

 Aujourd’hui, nous souhaitons vous donner un aperçu du type de raisonnement pouvant nous mener à identifier des molécules que nous rapportions auparavant comme des inconnues dans nos analyses de profils chromatographiques, en l’appliquant au cas des terpènes de cannabis.

Comment un composé noté comme inconnu dans les profils GC peut-il être identifié?

Nous avons par le passé exposé dans ces pages le concept de composé inconnu, souvent rencontré dans les analyses d’huiles essentielles. Certains inconnus font également partie de nos criblages de terpènes de cannabis, pour des raisons similaires.

Bien entendu, pour un chimiste, l’aspect le plus satisfaisant des inconnus, c’est quand ils peuvent enfin être identifiés!

Il y a deux manières d’y parvenir. La première consiste à isoler et caractériser la molécule, comme nous l’avons fait dans cet article de 2018 [1]. Toutefois, ce peut être une entreprise difficile, pour différentes raisons (disponibilité d’échantillon, défis de séparation du composé de ses congénères, proportions trop faibles, impuretés, etc.), en plus d’être chronophage.

Une seconde possibilité tient à ce que même si aucune correspondance ne peut être trouvée pour un inconnu dans les banques de référence de spectrométrie de masse disponibles, le composé peut néanmoins avoir été identifié auparavant dans la littérature scientifique. Celle-ci est loin d’être entièrement couverte par les banques de données. Puisque nul n’est omniscient et que la consultation de la littérature scientifique demande du temps, parfois, un brin de chance est requis avant qu’il ne soit possible de découvrir le fin mot de l’histoire.

Identification : cas de l’Inconnu CIAU VII ou Selina-4,7(11)-diène

Le cas que nous vous présentons aujourd’hui appartient à cette seconde démarche. Tant dans nos analyses de terpènes principaux que complets pour le cannabis, nous avons pris l’habitude de rapporter un inconnu fréquemment quantitativement important, élué tout près des sélina-4(15),7(11)-diène et sélina-3,7(11)-diène. Nous le connaissions, entre nous, comme Inconnu CIAU VII [m/z 189, 204 (92), 161 (65), 133 (51), 105 (51), 91 (51), 119 (45)]. La seconde partie de ce nom, contenue entre crochets, est une liste des principaux ions observés sur les spectres de masse des inconnus, suivis entre parenthèses de leurs intensités en proportion de l’ion le plus important, qui apparaît toujours le premier. Cette information se retrouve sur nos rapports, puisqu’elle peut être utile à tout chimiste analyste tentant de repérer la même substance. La particule CIAU VII est pour sa part un code maison que nous utilisons pour nous simplifier la vie et qui est issu du nom de la source botanique de l’huile essentielle où l’inconnu en question a d’abord été observé chez nous, suivi d’un chiffre romain incrémental. CIAU désigne ici Citrus aurantifolia, d’après l’huile essentielle de lime, où il a été le 7e (VII) inconnu observé chez PhytoChemia pour l’espèce.

Cette molécule peut être observée dans diverses autres huiles essentielles, mais rarement en grandes quantités sauf dans le cannabis. Même dans l’huile de lime, elle dépasse rarement une proportion de 0.25%, ce qui demeure peu abondant. Puisque nous croisons des milliers d’inconnus dans nos banques de données, celui-ci n’a donc pas reçu d’attention particulière pendant un bon moment.

Cet été, cependant, nous avons décidé de disséquer dans le détail les résultats d’une analyse de bois de gaïac afin d’enrichir nos banques de données du vaste éventail de nouveaux composés mentionnés dans un excellent et exhaustif article de recherche de Tissandié, Viciana, Brevard, Meierhenrich & Filippi de 2018 sur cette huile essentielle, au titre évocateur: Towards a complete characterization of guaiacwood oil [2]. En croisant les résultats de cet article avec nos propres observations, nous avons rencontré le sélina-4,7(11)-diène, un composé n’étant pas intégré aux banques de données de référence auxquelles nous avons accès. Le manuscrit de Tissandié réfère aux travaux de Lima et collab. de 2012 sur l’huile essentielle de Croton hirtus du Brésil [3], où cette molécule est effectivement listée à un indice de rétention de 1534 sur leur colonne DB-5. Cette dernière étude, toutefois, ne fournit pas beaucoup d’informations supplémentaires, ne présentant notamment pas le spectre de masse de ce composé.

En creusant davantage la littérature scientifique en quête de données de référence pour ce composé, nous avons trouvé un autre article de Feger, Brandauer & Ziegler de 1999 sur l’huile essentielle de lime [4]. Cette étude décrit la purification et la caractérisation du sélina-4,7(11)-diène par résonnance magnétique nucléaire, ce qui a permis d’établir sa structure sans équivoque. Les auteurs indiquent que ce composé, sur une colonne de chromatographie en phase gazeuse non polaire, est élué près du sélina-4(15),7(11)-diène*. Ce dernier est intéressant, puisqu’il s’agit d’un sesquiterpène abondant et récurrent du cannabis, où on le retrouve élué très près de notre inconnu CIAU VII, par ailleurs également observé dans l’huile de lime au départ. À ce stade, nous avons commencé à suspecter que CIAU VII pouvait être le sélina-4,7(11)-diène.

Néanmoins, cet article ne fournissait toujours pas de spectre de masse permettant d’enfin repérer cette molécule. Les auteurs faisaient plutôt référence à une étude sensiblement plus ancienne de Sun & Erickson en 1978, ces derniers ayant isolé la molécule pour la première fois de source naturelle dans l’algue Laurencia nidifica [5]. Heureusement, ces auteurs ont pris le temps de décrire le spectre de masse de leur composé nouvellement identifié – cet aspect est hélas fréquemment omis dans les études décrivant de nouveaux composés sesquiterpéniques, et l’absence de telles données a ruiné à plus d’une reprise nos efforts pour identifier des composés inconnus que nous croisions. Voilà qui permet donc la comparaison entre le spectre de masse rapporté, et notre observation pour CIAU VII (Figure 1).

Figure 1. Comparaison des spectres de masse rapporté pour le sélina-4,7(11)-diène (en rouge) et observé pour CIAU VII (en bleu), en représentation miroir. L’absence des signaux mineurs dans le spectre décrit dans la littérature est attendue, puisque l’intégralité du spectre n’est quasiment jamais décrite.

La correspondance est quelque peu ambiguë, à première vue. Tous les signaux majeurs se transposent d’un spectre à l’autre, mais les ratios entre les ions ne concordent pas complètement. On peut noter que les ions de plus faible masse semblent plus abondants dans le spectre de la littérature. Ce phénomène, cela dit, n’est pas si rare, particulièrement lorsque l’on se compare avec des données plus âgées (et 1978 est, du point de vue des analyses GC-MS, assez vieux). Fréquemment, les ions plus légers paraissent plus intenses dans les publications les plus vieilles, peut-être en raison d’évolutions dans l’instrumentation et/ou dans les paramètres utilisés. Ces considérations doivent également être nuancées par le fait que CIAU VII est observé dans la même gamme de concentration que celle rapportée pour le sélina-4,7(11)-diène, dans les deux cas pour la lime distillée [4]. En outre, l’indice de rétention rapporté par de Lima et collab. [3] à 1534 est correspond à que celui que nous mesures pour CIAU VII sur la même colonne chromatographique. Enfin, CIAU VII s’est avéré bel et bien être observé à l’état de traces dans l’huile de bois de gaïac que nous étions en train d’étudier, en concordance avec l’identification proposée du sélina-4,7(11)-diène par Tissandié et collab. [2].

À elle seule, aucune de ces observations ne saurait supporter l’hypothèse selon laquelle CIAU VII est le sélina-4,7(11)-diène, mais considérées dans leur ensemble, nous croyons qu’elles fournissent une base crédible pour à tout le moins suggérer cette identification, suivie d’un point d’interrogation, dans nos futurs rapports.

Un autre argument peut être tiré des observations des terpènes du cannabis eux-mêmes. Au fil de centaines d’analyses, des corrélations claires de gradients de concentration apparaissent entre certains des terpènes. Il s’agit d’un phénomène attendu, puisque les plantes produisent de tels métabolites suivant des voies de biosynthèse: si une voie donnée est accessible dans une variété de cannabis, suggérant généralement qu’une enzyme particulière est sécrétée par la plante pour transformer une molécule en une autre, tous les composés qui sont compatibles avec cette enzyme peuvent une transformation analogue. Cela produit généralement des groupes de composés, où tous les membres partagent une origine commune et une ressemblance dans la structure. En effectuant des explorations statistiques de nos données sur les terpènes, nous avons constaté qu’un tel regroupement est possible autour de plusieurs terpènes similaires (Figure 2).

Figure 2. Structures des sesquiterpènes de type eudésmane qui sont exprimés ensemble et selon des concentrations corrélées chez les terpènes du cannabis.

Ce groupe comprend plusieurs composés dont le nom contient le préfixe «sélin-», et appartient aux sesquiterpènes de type eudésmane. Chaque fois que ces composés sont plus abondants dans une variété, l’inconnu CIAU VII est également plus concentré. La comparaison de la structure du sélina-4,7(11)-diène avec les autres membres de ce groupe montre clairement une parenté structurale. Ainsi, l’identification proposée pour CIAU VII serait également plausible, du point de vue biosynthétique, puisqu’on peut s’attendre à ce que le cannabis génère ce composé en marge des autres du même groupe.

Ce qui change dans les rapports d’analyses

En conséquence, nous remplacerons dorénavant « Inconnu [m/z 189, 204 (92), 161 (65), 133 (51), 105 (51), 91 (51), 119 (45)] » par « sélina-4,7(11)-diène? » dans nos criblages de terpènes de cannabis, ainsi que dans de futures analyses d’huiles essentielles. Si certains de nos clients compilent des statistiques par terpène pour leurs cultivars, nous leur suggérons de prendre des mesures pour assurer la transposition des données dans leurs banques de données. Nous avons ici voulu illustrer le processus d’inférence entrant en jeu lorsque nous tentons de croiser les données de la littérature scientifique avec nos observations empiriques pour identifier certains composés inconnus. Nous espérons que vous avez apprécié la démonstration!

*Feger, Brandauer & Ziegler listent ce composé sous le nom sélina-4(14),7(11)-diène, mais aussi irritantes que puissent être ces tribulations sur la nomenclature, il s’agit d’un synonyme pour le sélina-4(15),7(11)-diène!

Références

[1] St-Gelais, A.; Roger, B.; Alsarraf, J.; Legault, J.; Massé, D.; Pichette, A. Aromas from Quebec. VI. Morella pensylvanica from the Magdalen Islands: A (-)-α-Bisabolol-Rich Oil Featuring a New Bisabolane Ether. J. Essent. Oil Res., 2018, 30 (5), 319–329. https://doi.org/10.1080/10412905.2018.1470039.

[2] Tissandié, L.; Viciana, S.; Brevard, H.; Meierhenrich, U. J.; Filippi, J. J. Towards a Complete Characterisation of Guaiacwood Oil. Phytochemistry, 2018, 149, 64–81. https://doi.org/10.1016/j.phytochem.2018.02.007.

[3] de Lima, S. G.; Medeiros, L. B. P.; Cunha, C. N. L. C.; da Silva, D.; de Andrade, N. C.; Neto, J. M. M.; Lopes, J. A. D.; Steffen, R. A.; Araújo, B. Q.; Reis, F. de A. M. Chemical Composition of Essential Oils of Croton hirtus L’Her from Piauí (Brazil). J. Essent. Oil Res., 2012, 24 (4), 371–376. https://doi.org/10.1080/10412905.2012.692908.

[4] Feger, W.; Brandauer, H.; Ziegler, M. Analytical Investigation of the Sesquiterpene Hydrocarbons of Distilled Lime Oil (Citrus aurantifolia Swingle). J. Essent. Oil Res., 1999, 11 (5), 556–562. https://doi.org/10.1080/10412905.1999.9701213.

[5] Sun, H. H.; Erickson, K. L. Sesquiterpenoids from the Hawaiian Marine Alga Laurencia nidifica. 7. (+)-Selina-4,7(11)-Diene. J. Org. Chem., 1978, 43 (8), 1613–1614. https://doi.org/10.1021/jo00402a039.

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