Les ACIDES AMINES.

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GÉNÉRALITÉS

Ce terme définit une famille de composés dans lesquels on retrouve une fonction amine et une fonction acide carboxylique. La fonction amine peut être primaire secondaire ou tertiaire et la position relative des deux fonctions peut être alphabeta ...omega . Ce point de vue général doit prendre en considération deux éléments.

L'interactivité des deux fonctions. Il est inutile d'étudier ce qui a déjà été vu, si les fonctions réagissent indépendamment .

Et l'importance biologique d'un nombre restreint d'acides, tous alpha -aminés, qui sont les constituants de la matière vivante.

On ne verra ici que les acides omega -aminés, qui sont les monomères des polyamides, et les acides alpha -aminés naturels.

LES ACIDES omega -AMINES, Les Polyamides.

Le Nylon, breveté en 1938 par Du Pont de Nemours et W.H. Carothers est le premier polyamide artificiel, est synthétisé à partir d'un diacide et d'une diamine (Nylon 6-6). Il ne relève donc pas de ce chapitre mais a été le point de départ de toute un famille de textiles de synthèse dont certains sont préparés avec des acides w-aminés.

Les acides omega -aminés outre la polymérisation, réaction intermoléculaire peuvent donner lieu à cyclisation, réaction intramoléculaire. C'est le cas de l'acide 6-aminocaproïque qui se cyclise en amide interne ou lactame en donnant le caprolactame. C'est un acide à 6 carbones, linéaire possédant une fonction amine primaire en C6. (6-aminohexanoïque).

caprolactame

Cette synthèse est sans grand intérêt, car on produit, dans l'industrie, d'abord le caprolactame. La réaction connue depuis 1900, est un réarrangement de Beckmann à partir de l'oxime de la cyclohexanone.

transposition de Beckmann

Le réactif est un composé acide et beaucoup ont été employés, (H2SO4, HCOOH, SO2 liq etc.). Le groupe migrant est généralement le groupe anti par rapport à OH. Le mécanisme suppose une protonation de l'hydroxyle, la migration de R- avec son doublet d'électron vient compenser la perte du doublet éliminé avec l'eau.

caprolactame

mécanisme 1

Une molécule d'eau neutralise l'ion en formant la forme tautomère de l'amide.

mecanisme 2

La synthèse du caprolactame à partir de la cyclohexanone est la suivante:

synthese caprolactame

Le caprolactame est ensuite polymérisé en chaîne pour donner le Nylon 6 ou Perlon

synthese perlon

Un autre polyamide est préparé à partir d'un omega -aminoacide, il s'agit du Rilsan. Le monomère est tiré de l'huile de ricin, qui est saponifiée et donne un acide gras l'acide ricinoleïque, ou d-hydroxy-12-octadécène-9-oïque cis.

rilsan

La pyrolyse de cet acide conduit à l'undécilène-9-oïque.

acide c11 oméga-insaturé

Il est bromé selon Karash en bout de chaîne puis aminé en amino-11-undécanoïque.

monomere du rilsan

Polymérisé, il donne le nylon-11 ou Rilsan.

rilsan

Les autres nylons,(6-6, 6-10; Kevlar) seront vus en chimie industrielle.

Les ACIDES alpha -AMINES NATURELS.

Les acides naturels sont tous porteurs du groupe amino en alpha du groupe carboxyle. Donc de la forme
acide amine en alpha Leur nom relève de la biologie/biochimie et doit être pris comme tel.

Sauf un, la glycine, tous possèdent un carbone asymétrique. Tout en ayant des pouvoirs rotatoires différents (lévogyre ou dextrogyre), tous appartiennent à la série L.

Ils ont des propriétés acido-basiques particulières car ils possèdent à la fois un groupe acide et un groupe basique.

En milieu OH- la fonction acide libère son proton déprotonation

En milieu H+ la fonction amine capte le proton protonation
    Les pK des deux fonctions étant différents, dans les conditions habituelles de pH les deux ions coexistent simultanément sur la même molécule. Cet ion est appelé sel interne ou "zwitter-ion". Des équilibres sont déplacés en milieu fortement acide ou fortement basique. Mais l'équilibre en milieu neutre entre la forme ionique et le forme moléculaire ne dépend que de la structure de l'acide aminé.
    Le comportement au cours d'une électrolyse d'une solution dépend du pH, puisque l'acide peut être plus chargé sur un site que sur l'autre, il se déplace dans ce cas vers l'électrode de signe contraire. Il arrive donc que pour une valeur donnée du pH les charges s'équilibrent et que l'acide est équitablement attiré par les deux électrodes et ne se déplace plus. Ce pH est appelé point isoélectrique. Cette valeur dépend de la nature de R et cela a permis la mise au point d'une méthode d'analyse dite Electrophorèse. Quelques gouttes d'acides aminés sont placées sur une feuille de papier imprégnée d'un électrolyte à un pH donné. Selon que son point isoélectrique est en deçà, atteint ou au delà du pH de l'électrolyte, l'acide migre dans un sens, reste immobile, ou migre dans l'autre sens quand le courant passe entre les électrodes.
    Enfin R n'est pas toujours un groupe hydrocarbure, il comporte parfois d'autre fonctions dont des acides carboxyliques et des amines

    Voici le tableau des vingt acides aminés naturels les plus courants, d'autres sont plus rares et ne sont pas étudiés systématiquement (ornithine, thyroxine...), ainsi que les pKa et les points isoélectriques

Nom

Formule

Symbole
pKa -COOH
pKa -NH3+
pt iso

elect

glycine ou glycocolle

Gly
2,4
9,8
6,06
Alanine
Ala
2,4
9,9
6,1
Valine
Val
2,3
9,7
6,0
Leucine
Leu
2,3
9,7
6,03
Isoleucine
Ile
2,3
9,7
6,04
Sérine
Ser
2,2
9,4
5,7
Thréonine
Thr
2,1
9,1
5,6
Méthionine
Met
2,2
9,3
5,7
Cystéine
CySH
1,9
10,3
5,1
Proline
Pro
2
10,6
6,3
Phénylalanine
Phe
2,6
9,2
5,9
Thyrosine
Tyr
2,2
9,1
5,6
Tryptophane
Try
2,4
9,4
5,9
acide

Aspartique

Asp
2,0
10
2,8
acide 

Glutamique

Glu
2,1
10
3,2
Lysine
Lys
2,2
9,2
9,6
Arginine
Arg
1,8
9,0
11,2
Histidine
His
1,8
9,2
7,6
Asparagine
Asn
2,0
8,8

Glutamine
Gln
2,2
9,1


 

Synthèse.

Outre l'extraction de produits naturels, plusieurs méthodes de synthèses ont été developpées.

Amination d'un acide alpha -halogéné.

L'acide halogéné réagit via la fonction R-X sur l'ammoniac. Mais nous avons vu que cette réaction conduit généralement à des mélanges d'amines primaires, secondaires et tertiaires. Afin d'éviter cela on utilise la réaction de Gabriel avec la phtalimide.

gabriel 1

gabriel 2

Une variante intéressante est la combinaison de la synthèse malonique avec la réaction de Gabriel.

Il a été vu (chap. Acides ), que le malonate d'éthyle avec un CH2 inséré entre deux fonctions esters pouvait facilement être bromé. Si une réaction de gabriel est faite sur ce réactif, l'hydrolyse de l'imide substituée va se faire en même temps que celle du diester et fournit de la glycine. Mais le plus intéressant est que cette imide peut encore perdre un proton mobile, qui peut être arraché par une base forte et substitué par un dérivé halogéné. Il est alors possible de faire de nombreux acide aminés.

Halogénation du malonate d'éthyle.

bromation du malonate

Condensation avec le sel de potassium de la phtalimide

réaction avec phtalimide

Ce produit hydrolysé conduit à la glycine, mais l'hydrogène restant peut être substitué

seconde alkylation sur malonate

hydrolyse

Amination réductive d'un acide alpha -cétonique.
    En présence d'ammoniac, d'hydrogène et d'un catalyseur comme le Nickel, les cétones sont converties en amines.

Action de HCN et NH3 sur les aldéhydes; Réaction de Strecker.
    1° L'ammoniac réagit sur les aldéhydes en donnant un imine.

imine

    2° L'acide cyanhydrique conduit à une cyanhydrine avec un aldéhyde.

cyanhydrine

    3° Le mélange des deux s'additionne sur l'aldéhyde en donnant un amino-nitrile, qui est hydrolysé en milieu acide en acide aminé.

addition de NH3 puis HCN sur aldehyde

    Toutes ces méthodes donnent le mélange racémique d'acide aminé qu'il faut ensuite séparer en chacun de ses énantiomères. On procède en formant généralement un sel avec une base naturelle énantiomériquement pure, pour obtenir un mélange de diastéréoisomères pouvant être séparés par les voies classiques, généralement une recristallisation fractionnée.
    Les progrès en chimie biologique permettent de disposer maintenant de réactifs enzymatiques, catalyseurs chiraux très sélectifs. Par exemple à partir de l'acide 2-oxopentanedioïque non chiral on prépare l'acide glutamique optiquement pur.

synthese chirale
    Cette réaction n'est pas en contradiction avec le principe posant qu'il est impossible d'obtenir un produit chiral avec des réactifs non chiraux. Le catalyseur est un composé chiral, il participe à la réaction et fait partie de l'état de transition de la réaction. De plus, bien que le carbonyle soit plan les deux faces de cette cétones sont différentes puisque les deux substituants sont différents. Il est logique qu'un molécule chirale ne puisse attaquer cette fonction que d'un seul coté. On dit que les faces sont prochirales c'est à dire précurseur de chiralité.

Réactivité.

Les deux fonctions des acides aminés, possèdent toutes les propriétés des fonctions isolées.

La fonction acide donne des sels, des esters et des chlorures d'acides.

La fonction amine primaire donne des amides (avec les chlorures d'acides) et réagit avec l'acide nitreux pour donner une désamination. Cette réaction est mise à profit pour faire un dosage des acides aminés par la mesure du volume d'azote dégagé. (Méthode de Van Slyke).

dosage gazometrique

Les acides aminés au moins en gamma donnent des lactames ou amide interne.
Mais cette cyclisation intramoléculaire n'est pas possible avec les acides alpha -aminés. Ceux-ci donnent des réactions intermoléculaires entre deux molécules conduisant à une dicétopipérazine.

lactame
formation d'un lactame

dicetopiperazine
formation d'une dicétopipérazine

Réaction avec la Ninhydrine.
    Très utilisée comme réactif révélateur des acides aminés en chromatographie. La ninhydrine est sous forme hydratée la 2,2-dihydroxyindan-1,3-dione, soit:

ninhydrine

La fonction cétone centrale est très électrophile et réagit avec la fonction amine des acides aminés

alpha amino-alcool

L'alpha -aminoalcool perd une mole d'eau, puis une mole de CO2, en donnant une imine,

imine

Cette imine est hydrolysée et libère un aldéhyde et une amine,

elimination d'aldéhyde

L'amine libérée réagit avec une autre mole de ninhydrine pour donner une nouvelle cétimine,

deuxieme imine

Ce composé fortement délocalisé est coloré, on le nomme Pourpre de Ruheman. Il est à noter qu'il ne reste qu'un atome d'azote provenant de l'acide aminé initial dans le colorant final.

Les amines primaires donnent une réaction analogue excepté le départ de CO2 remplacé par une expulsion de proton.
 
 

PROTEINES ET PEPTIDES.

Les Protéines sont les constituants de la matière vivante animale, muscle, peau, cheveux etc. Mais aussi elles participent aux différents processus de la vie, transport de l'oxygène respiratoire, déterminisme génétique, système de défense immunologique. L'objet d'un cours de premier cycle de chimie n'est pas de développer ce qui sera vu en biologie mais de ne pas laisser trop de lacunes entre ces deux matières, aussi se limitera-t-on aux simples connaissances de base.

Les protéines sont des polymères d'acides aminés reliés entre eux par une liaison peptidique, c'est à dire la formation d'une amide entre la fonction acide d'un premier acide aminé et la fonction amine d'un deuxième. Contrairement aux différents polymères rencontrés précédemment le motif n'est pas répété selon une courte période, mais on observe des suites variées d'acides différents, même limité à 20 le nombre de combinaisons est fantastique car le nombre d'acides qui constituent la protéine est lui même considérable. D'où la grande variété de protéines existantes.

Les Peptides sont des protéines de faible dimension, on fixe la limite de façon arbitraire à une masse molaire de 10 000 pour les peptides, tandis que celle des protéines peut atteindre des dizaines de millions.

Peptides ou protéines, on les différencie donc par le nombre, la nature et l'ordre dans lesquels les acides aminés qui les composent se succèdent dans la molécule.

Représentation:

Par convention, les peptides s'écrivent avec l'acide aminé N-terminal (qui a le groupement -NH2 libre) à gauche et l'acide aminé C-terminal (qui a le groupe -COOH libre) à droite.

Ainsi Gly-Ala signifie:
gly_ala

On arrive ainsi à représenter des molécules assez complexes comme l'angiotensine II une hormone du sang qui régule la pression sanguine:

Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe

angiotensine

En plus de la liaison amide (peptidique), reliant les acides aminés, un deuxième type de liaison covalente se forme entre deux éléments (ou résidus) cystéine, le pont disulfure. Ces liaisons se forment par oxydation d'une fonction thiol et la réaction est réversible , elle s'ouvre par réduction.

Par exemple RSH sous l'action de l'iode se dimérise selon le schéma:

liaison S_S
2 R-SHfleche R-S-S-R + 2 e- + 2 H+

Ces liaisons se forment entre deux chaînes différentes, ce qui aura des conséquences sur la structure, ou créent un pont dans un même chaîne. On note alors la cystéine CyS (en majuscule) et on relie les deux S par un trait.

En présence de mercaptonéthanol HO-CH2-CH2-SH, les ponts de la protéïne sont réduits en RSH et le mercaptoéthanol est oxydé en dimère.

Sous l'action de l'acide performique HCOOOH les ponts disulfures sont coupés et transformés en acides sulfoniques.

ouverture des ponts disulfure

Exemple de la Vasopressine, une hormone diurétique, dont l'extrémité se termine par une fonction amide -CO-NH2 sur la glycine et non par un acide libre -COOH.

vasopressine


La fonction du chimiste dans ce domaine est bien sur l'analyse et la synthèse.

Détermination de la structure.

Les Peptides: Ce sont les plus simples car ils ne posent pas le problème de structure trop important. Il s'agit de déterminer d'abord la nature et la masse de chacun des acides aminés les composant. Ensuite il convient de déterminer l'ordre (la séquence) dans lequel ces acides sont reliés.

Le premier problème est relativement simple et les analyseurs sont maintenant automatisés.

1- Le peptide est d'abord réduit, ou oxydé, afin d'éliminer les liaisons disulfure.

Les dérivés obtenus sont ensuite séparés par différentes techniques.

La Dialyse ou séparation à travers une membrane semi-perméable selon la taille des fractions.

La Chromatographie d'exclusion ou de perméation de gel, sépare elle aussi selon la taille des molécules, mais de façon continue.

La chromatographie sur résines échangeuse d'ion, sépare selon la charge portés par les molécules.

L'Electrophorèse separe elle aussi selon la charge selon un procédé de transport par le courant sur un milieu électrolyte poreux.

2- Les peptides ainsi purifiés sont hydrolysés par une solution d'acide dilué (HCl 6N, 110°C, 24h ). Les liaisons amides sont rompues et les acides aminé libérés. Ils sont analysés qualitativement et quantitativement par chromatographie liquide sur une colonne de résine échangeuse d'ion polysufonatée. La phase éluante est une solution acide dont le pH évolue graduellement de 3 à 6. La détection est réalisée par un spectrophotomètre visible par ajout de ninhydrine à l'éluant. Ce réactif donne un complexe coloré avec les acides aminés.

Le second problème est plus délicat. Il a été résolu par Sanger en 1953 par la détermination de la structure de l'insuline (Nobel chimie 1958), et par Edman

La dégradation de Sanger utilise le 1-Fluoro-2,4dinitrobenzène comme réactif. Ce composé favorise une substitution nucléophile aromatique par addition-élimination par le caractère fortement attracteur des substituants du benzène. Rares ces réactions passent par un intermédiaire d'addition anionique de type,

intermédiaire
qui se réaromatise par expulsion du fluor.

Sur un peptide, il réagit avec l'extrémité aminée libre en donnant

liaison terminale sur amine

L'hydrolyse suivante coupe les liaisons peptidiques mais pas la liaison Ar-NH. On récupère ainsi le dernier acide aminé de la chaîne.Cette réaction a ouvert la voie de l'analyse, mais le reste de le chaîne n'est plus relié et l'information sur sa structure est perdue.
La méthode suivante permet l'analyse de toute la séquence.
La dégradation d'Edman fait appel à un autre réactif l'isothiocyanate de phényle.

isothiocyanate de phenyle

Cette fonction isothiocyanate très sensible aux nucléophiles conduit à une thiourée, par addition du NH sur la double liaison N=C.

consensation sur amine terminale

Ce composé se cyclise en cycle à 5 éléments par attaque du doublet de l'azote fixée sur le cycle aromatique sur le carbonyle de l'amide. Cela entraîne la rupture d'une seule liaison peptidique et permet de réitérer l'opération sur le partie restante. Ce procédé a pu être automatisé et autorise en routine des séquençages de 20 acides aminés.

rupture et cyclisation
L'acide terminal est fixé dans une phénylthiohydantoïne, séparable aisément du milieu et pouvant étre facilement identifiée.

D'autre méthodes d'analyse des séquences ont été développées, ce secteur de la recherche est en forte progression.

Synthèse.

Simple à première vu, l'établissement d'une liaison amide entre deux molécules bifonctionnelles présente quelques difficultés.
    Soit A et B deux molécules bifonctionnelles dont la probabilité de condensation est égale, en nous limitant à la formation que d'une liaison, on doit obtenir AA; AB; BA et BB à 25% chacun, or seule la molécule AB nous intéresse donc rendement de 25%. Dix opérations de ce type conduisent à un rendement global de 0,2510 soit 10-6.

Il est indispensable de préparer à l'avance ces composes pour inactiver un des sites fonctionnel avant de les mettre en présence l'un de l'autre.
La technique du blocage d'une fonction est connue et se doit de présenter certaines caractéristiques pour être efficace.
Elle doit donner une liaison stable dans le milieu de la réaction prévue et facile à détruire pour libérer la fonction bloquée après réaction.
Les réactifs de blocage de la fonction amine sont des dérivés de l'acide carbonique sous forme de chlorure ou d'anhydride.

chloroformiate dicarbonate de tbu

Chloroformiate de benzyle, dicarbonate de tertiobutyle

Blocage en milieu basique

blocage

Libération par hydrogénation

deblocage

Le blocage de la fonction acide est fait par une estérification en ester méthylique ou éthylique, le déblocage par hydrolyse basique.
La libération se fait aussi en milieu acide aussi doit on catalyser la réaction sur le groupe amino resté libre en activant le COOH lui aussi libre. Dans ces conditions on arrive a ne former que le composé souhaité.

Méthode de Merrifield.
    Le procédé précédent risque d'être relativement lent pour un peptide long, afin de pouvoir automatiser ces séquences l'emploi d'un support solide a été developpé par Merrifield (Nobel chimie 1984).

Le polystyrène est un polymère vinylique de structurepolystyrene . Il est insoluble mais gonfle en présence de solvants de type dichhorométhane.Ce solvant retenu à la surface du solide permet une réaction, de ce fait les groupes phényles peuvent être fonctionnalisés par substitution électrophile aromatique. On fixe ainsi un CH2Cl par action d'un chloroéther en présence de SnCl4 comme catalyseur acide de Lewis.

fonctionalisation des phi
Seuls quelques groupes phényles sont ainsi modifiés.
Le polymère est placé dans une colonne, dans laquelle on fait passer un solvant contenant différents réactifs successivement entre deux passages de réactif, il est possible de réaliser des lavages pour nettoyer la colonne des produits en excès.
  1 On passe d'abord une solution d'un aminoacide A amino protégé, qui va se fixer par substitution à la place du chlore benzylique par son groupe acide.
2 On débloque la fonction amine
3 On passe un second amino acide B, qui se fixe sur la fonction amine libre du A
4On débloque la fonction amine de B
etc.

Enfin un traitement par HF libère la liaison A-benzyle et fournit ainsi le peptide complet.

On a pu réaliser ainsi la synthèse de l'insuline avec 5000 opérations élémentaires permettant de fixer les 50 acides aminés dans deux chaînes séparées reliées par des ponts disulfure. Cette synthèse totale fut obtenue en quelques jours. Elle forme avec les méthodes de séquençages elle aussi automatisées le seul moyen de confirmer la structure de peptides et a ouvert une voie nouvelle à la biologie.

Structure des Protéines.

La succession des acides aminés dans la chaîne constitue la structure primaire. Mais la chaîne peut prendre une conformation particulière. Il a été constaté deux types d'arrangements qui constituent la structure secondaire la structure plissée ou configuration beta , et la structure en hélice ou configuration alpha .

Dans la structure plissée, deux chaînes se placent parallèlement en faisant correspondre les groupes NH d'un peptide avec les groupes CO de l'autre. Il se forme ainsi des liaisons hydrogènes qui assurent une bonne rigidité au système formé.

Dans le structure en hélice, une seule chaîne s'enroule en hélice afin de permettre des liaisons hydrogènes en acides aminés successifs. On trouve en moyenne, 3,6 acides aminés par enroulement avec une période de 5,4 Å.

Enfin une structure tertiaire est formée, impliquant les ponts disulfure, des liaison hydrogènes, des forces de London, des attraction et répulsion électrostatiques et enfin des effets micellaires. Le polymères adopte une conformation mettant en exposition externes ses groupes polaires et minimise l'exposition des groupes apolaires. Cela rend l'ensemble soluble en milieu aqueux. Deux superstructures ont été observées la forme globulaire ( protéine de transport ou catalyse) et la forme en superhélice.

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