Amines et acides α-aminés

Étudier les composés azotés et les briques du vivant.

Chimie Terminale Chapitre 9 / 11 ⏱ 10 h

Ce que tu sauras faire à la fin

Nommer et classer une amine
Identifier un carbone asymétrique
Écrire la formation d'un dipeptide

Ouvre un flacon de poisson qui commence à tourner : cette odeur âcre et entêtante est la signature chimique d’une famille de composés azotés appelés amines. Tu les croises partout sans le savoir : dans l’adrénaline qui accélère ton cœur, dans les antihistaminiques qui soignent une allergie, dans la caféine de ton thé — et surtout dans chacune des vingt briques élémentaires qui construisent toutes les protéines du vivant, les acides α-aminés.

Ce chapitre relie deux mondes que tu as étudiés séparément : la basicité (couple acide/base, pKa) et la chimie organique des fonctions carbonées. L’amine, dérivé de l’ammoniac $\text{NH}_3$ , t’apprendra à raisonner sur le doublet non liant de l’azote — source de sa basicité et de sa nucléophilie. L’acide α-aminé, molécule à la fois acide et base, te fera découvrir une nouvelle façon de regarder une molécule dans l’espace : la chiralité. Enfin, tu verras comment deux acides aminés s’unissent par une liaison peptidique pour former les protéines — enzymes, hémoglobine, kératine — qui font fonctionner ton corps.

Tu retrouveras ces notions bien au-delà de la salle de classe : en pharmacie (synthèse de médicaments par acylation), en biologie médicale (électrophorèse de l’hémoglobine pour dépister la drépanocytose), en agronomie et nutrition (complémentarité des protéines du mil, du niébé et de l’arachide dans l’alimentation sahélienne), et bien sûr au baccalauréat, où ce chapitre compte parmi les plus fréquemment interrogés en chimie organique.

Par rapport à ce que tu maîtrisais déjà — fonctions alcool, acide carboxylique, halogénoalcane — la nouveauté est double. D’abord, une même molécule peut porter deux fonctions antagonistes (acide et base) : c’est le cas de l’acide aminé, qui exige de réutiliser à fond ta relation d’Henderson-Hasselbalch. Ensuite, tu vas démontrer une formule ( $\text{pHi} = \dfrac{\text{pKa}_1+\text{pKa}_2}{2}$ ) au lieu de simplement l’appliquer : c’est exactement le type de raisonnement attendu au baccalauréat. Prends ton temps sur les schémas moléculaires : en chimie organique de terminale, une figure bien comprise vaut dix lignes de cours.

1Amines : classes, nomenclature, basicité

Une amine est un composé organique obtenu, formellement, en remplaçant un, deux ou trois atomes d’hydrogène de l’ammoniac $\text{NH}_3$ par des groupes alkyle ou aryle. Ce simple remplacement suffit à créer toute une famille de molécules aux propriétés remarquables.

1.1 Classes d’amines

Définition

On classe une amine selon le nombre d’atomes de carbone directement liés à l’azote :

amine primaire : $\text{R–NH}_2$ (un seul groupe carboné) ;
amine secondaire : $\text{R–NH–R}'$ (deux groupes carbonés) ;
amine tertiaire : $\text{R–N}(\text{R}')(\text{R}'')$ , notée aussi $\text{R}_3\text{N}$ (trois groupes carbonés).

Dans les trois cas, l’azote conserve son doublet non liant : c’est lui qui gouverne toute la chimie de la fonction amine.

Figure 1 — Les trois classes d’amines : le nombre de groupes carbonés portés par l’azote (et non le type de carbone) fixe la classe. Le doublet non liant (points violets) est toujours présent, quelle que soit la classe.

Ne confonds pas cette classification avec celle des alcools ou des halogénoalcanes : pour une amine, on compte les carbones portés par l’azote, pas les carbones voisins du carbone fonctionnel. $\left(\text{CH}_3\right)_3\text{C–NH}_2$ est ainsi une amine primaire — un seul carbone est lié à l’azote — bien que ce carbone soit lui-même tertiaire.

Attention

Piège classique du baccalauréat : la classe d’une amine (primaire/secondaire/tertiaire) porte sur l’azote, alors que la classe d’un alcool ou d’un halogénoalcane porte sur le carbone fonctionnel. Les deux classifications n’ont rien à voir l’une avec l’autre.

1.2 Nomenclature

Méthode — nommer une amine

Pour une amine primaire $\text{R–NH}_2$ , on ajoute le suffixe -amine au nom de la chaîne carbonée, comme pour les alcanes (en précisant la position si besoin) : alcanamine, par exemple éthanamine.

Pour une amine secondaire ou tertiaire, on choisit comme chaîne principale la plus longue chaîne carbonée portée par l’azote, et l’on nomme les autres groupes comme substituants précédés de la lettre N-, puisqu’ils sont fixés sur l’azote et non sur un carbone de la chaîne.

Exemple — nommer trois amines

$\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–NH}_2$ une seule chaîne, fixée sur l’azote → suffixe -amine
nom : éthanamine
$\text{CH}_3\text{–NH–CH}_2\text{–CH}_3$ chaîne principale : éthane ; substituant N-méthyle
nom : N-méthyléthanamine
$\left(\text{CH}_3\right)_3\text{N}$ chaîne principale : méthane ; deux substituants N-méthyle
nom : N,N-diméthylméthanamine

Les amines aromatiques portent souvent un nom d’usage conservé : $\text{C}_6\text{H}_5\text{–NH}_2$ s’appelle aniline (ou phénylamine).

1.3 Propriétés physiques

Les amines primaires et secondaires possèdent une liaison $\text{N–H}$ polarisée : elles forment des liaisons hydrogène entre elles et avec l’eau. Les amines de faible masse molaire sont donc solubles dans l’eau, miscibles avec elle en toutes proportions ; la solubilité décroît quand la chaîne carbonée s’allonge, la partie hydrocarbonée hydrophobe prenant le dessus. Les amines tertiaires, sans hydrogène sur l’azote, ne forment pas de liaison H entre elles : leur température d’ébullition est plus basse que celle d’une amine primaire de masse molaire comparable.

Autre signature : l’odeur. Les amines volatiles rappellent le poisson avarié — ce n’est pas un hasard : la décomposition des protéines libère des amines (cadavérine, putrescine), et le poisson, très riche en protéines, en produit dès qu’il n’est plus frais.

1.4 Basicité des amines

Le doublet non liant de l’azote n’est engagé dans aucune liaison : il est disponible pour capter un proton $\text{H}^{+}$ . Une amine est donc une base, au sens de Brønsted.

Figure 2 — Le doublet non liant de l’azote (points violets) attaque un proton

\text{H}^{+}

: il devient une liaison

\text{N–H}

supplémentaire, et l’azote porte une charge

+

Définition

En solution aqueuse, une amine $\text{R–NH}_2$ réagit avec l’eau selon l’équilibre :

$\text{R–NH}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{R–NH}_3^{+} + \text{HO}^{-}$

Le couple acide/base associé est $\text{RNH}_3^{+}/\text{RNH}_2$ , de constante d’acidité $K_a$ , avec $\text{pKa} \approx 10$ à $11$ pour les amines aliphatiques usuelles : ce sont des bases faibles, nettement plus fortes que l’eau.

Une amine réagit aussi, totalement, avec un acide fort : elle donne un sel d’alkylammonium, ionique et très soluble dans l’eau — de nombreux médicaments basiques sont ainsi commercialisés sous forme de « chlorhydrate ».

Exemple — formation d’un sel d’ammonium

$\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–NH}_2 + \text{H}_3\text{O}^{+}$
$\longrightarrow$ $\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–NH}_3^{+} + \text{H}_2\text{O}$ réaction totale, acide fort en excès
le solide obtenu par évaporation, avec $\text{Cl}^{-}$ comme contre-ion, est le chlorure d’éthylammonium

Propriété — basicité comparée

La basicité d’une amine dépend des groupes portés par l’azote :

les groupes alkyle sont donneurs par effet inductif ( $+I$ ) : ils enrichissent l’azote en densité électronique et renforcent la disponibilité du doublet. Une amine aliphatique est donc plus basique que l’ammoniac.
un groupe aryle (cycle aromatique) est conjugué avec le doublet de l’azote : celui-ci se délocalise partiellement dans le cycle et devient moins disponible. Une amine aromatique est donc moins basique que l’ammoniac.

Base	$\text{NH}_3$	$\text{CH}_3\text{NH}_2$	$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{NH}_2$	$\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2$
pKa (acide conjugué)	$9{,}2$	$10{,}6$	$10{,}8$	$4{,}6$

Ordre de basicité croissante : aniline $<$ ammoniac $<$ méthanamine $<$ éthanamine.

Chimie & Co — Wurtz et Hofmann, pionniers des amines

En 1849, le chimiste français Charles-Adolphe Wurtz synthétise pour la première fois des amines aliphatiques simples, méthanamine et éthanamine, au laboratoire. Quelques années plus tard, l’Allemand August Wilhelm von Hofmann, installé à Londres, entreprend une étude systématique de la réactivité des amines : c’est lui qui met au point, dès le début des années 1850, la méthode d’alkylation exhaustive que tu étudieras dans la section suivante — toujours appelée aujourd’hui « réaction de Hofmann ».

2Réactions des amines

Le doublet non liant de l’azote ne fait pas que capter un proton : il attaque aussi les sites électrophiles des molécules organiques. Une amine est donc à la fois une base et un nucléophile — les deux propriétés viennent du même doublet, mais elles ne se manifestent pas face aux mêmes partenaires.

2.1 Nucléophilie et alkylation (réaction de Hofmann)

Une amine primaire réagit avec un halogénoalcane par substitution nucléophile : le doublet de l’azote attaque le carbone porteur de l’halogène, qui part sous forme d’ion halogénure.

Méthode — alkylation exhaustive (Hofmann)

En présence d’un excès d’halogénoalcane, la réaction ne s’arrête pas au premier stade : l’amine formée réagit à son tour, puis celle qui en résulte, et ainsi de suite, jusqu’à l’ammonium quaternaire $\text{R}_4\text{N}^{+}$ , qui ne peut plus évoluer — il n’a plus ni doublet libre, ni hydrogène sur l’azote.

Exemple — de l’ammoniac à l’ammonium quaternaire

$\text{NH}_3 + \text{CH}_3\text{Br} \longrightarrow \text{CH}_3\text{NH}_3^{+} + \text{Br}^{-}$
$\text{CH}_3\text{NH}_3^{+} + \text{NH}_3 \longrightarrow \text{CH}_3\text{NH}_2 + \text{NH}_4^{+}$ l’excès d’ammoniac déprotone le sel formé
$\text{CH}_3\text{NH}_2 + \text{CH}_3\text{Br} \longrightarrow \left(\text{CH}_3\right)_2\text{NH}_2^{+} + \text{Br}^{-}$ la même séquence recommence
… déprotonation, puis alkylation, encore deux fois …
$\Rightarrow$ $\left(\text{CH}_3\right)_4\text{N}^{+} + \text{Br}^{-}$ ammonium quaternaire : plus aucune évolution possible

Attention

Ne confonds pas basicité (réaction avec $\text{H}^{+}$ , minuscule) et nucléophilie (réaction avec un carbone électrophile, souvent encombré). Une amine tertiaire reste une base correcte, mais c’est un mauvais nucléophile vis-à-vis d’un halogénoalcane encombré : la gêne stérique autour de l’azote ralentit l’attaque.

2.2 Acylation : formation d’amides

Une amine réagit avec un chlorure d’acyle $\text{R}'\text{–CO–Cl}$ ou un anhydride d’acide $\left(\text{R}'\text{CO}\right)_2\text{O}$ : le doublet de l’azote attaque le carbone du groupe carbonyle, très électrophile. Il se forme un amide N-substitué.

Exemple — synthèse d’un amide

$\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–NH}_2 + \text{CH}_3\text{–CO–Cl}$
$\longrightarrow$ $\text{CH}_3\text{–CO–NH–CH}_2\text{–CH}_3 + \text{HCl}$ attaque du doublet sur le carbone du chlorure d’acyle
le produit est le N-éthyléthanamide

Cette réaction est fondamentale pour la suite du chapitre : c’est exactement le même type de liaison — un carbonyle lié à l’azote d’une amine — que la liaison peptidique qui unira deux acides aminés (section 6).

2.3 Identification des amines

Le caractère basique d’une amine se met en évidence simplement : une solution aqueuse d’amine rosit le papier pH (milieu basique).

Un test plus fin — à connaître seulement pour son principe — utilise l’acide nitreux $\text{HNO}_2$ , instable, préparé in situ à partir de nitrite de sodium et d’un acide. Il réagit différemment selon la classe de l’amine :

Classe	Amine primaire	Amine secondaire	Amine tertiaire
Observation	dégagement gazeux ( $\text{N}_2$ )	huile jaune (nitrosamine)	pas de réaction visible

Ce test permet donc, en pratique, de distinguer les trois classes d’amines sans avoir besoin de connaître le détail du mécanisme.

3Acides α-aminés

Change maintenant de famille — mais pas complètement : un acide α-aminé porte à la fois une fonction amine, celle que tu viens d’étudier, et une fonction acide carboxylique, portées par le même carbone, dit carbone $\alpha$ . Cette double fonction fait de chaque acide aminé la brique de base de toutes les protéines du vivant.

3.1 Structure générale

Définition

Un acide $\alpha$ -aminé a pour formule générale :

$\text{R–CH}(\text{NH}_2)\text{–COOH}$

Le carbone $\alpha$ porte simultanément quatre groupes : le groupe amine $\text{–NH}_2$ , le groupe acide carboxylique $\text{–COOH}$ , un atome d’hydrogène $\text{–H}$ , et une chaîne latérale $\text{R}$ qui différencie chaque acide aminé des autres.

La nature utilise vingt acides $\alpha$ -aminés différents pour construire l’ensemble des protéines vivantes ; ils ne diffèrent que par leur chaîne latérale $\text{R}$ .

3.2 Quelques acides aminés naturels

Nom	Chaîne latérale R	Formule
Glycine	$\text{–H}$	$\text{H}_2\text{N–CH}_2\text{–COOH}$
Alanine	$\text{–CH}_3$	$\text{CH}_3\text{–CH(NH}_2\text{)–COOH}$
Valine	$\text{–CH(CH}_3)_2$	$\left(\text{CH}_3\right)_2\text{CH–CH(NH}_2\text{)–COOH}$
Sérine	$\text{–CH}_2\text{OH}$	$\text{HOCH}_2\text{–CH(NH}_2\text{)–COOH}$
Cystéine	$\text{–CH}_2\text{SH}$	$\text{HSCH}_2\text{–CH(NH}_2\text{)–COOH}$
Phénylalanine	$\text{–CH}_2\text{C}_6\text{H}_5$	$\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_2\text{–CH(NH}_2\text{)–COOH}$

Exemple — identifier la chaîne latérale

Dans la sérine, $\text{HOCH}_2\text{–CH(NH}_2\text{)–COOH}$ , le carbone $\alpha$ porte $\text{–NH}_2$ , $\text{–COOH}$ , $\text{–H}$ , et la chaîne latérale $\text{R} = \text{–CH}_2\text{OH}$ , porteuse d’une fonction alcool supplémentaire — c’est elle qui rend la sérine si réactive dans de nombreuses enzymes.

Exemple — la glycine, un cas particulier

La glycine est le plus simple des acides $\alpha$ -aminés : sa chaîne latérale est un simple atome d’hydrogène, $\text{R} = \text{–H}$ . Le carbone $\alpha$ porte alors deux atomes d’hydrogène — un point essentiel que tu retrouveras dès la section 4.

3.3 Caractère amphotère

Un acide $\alpha$ -aminé porte, sur la même molécule, un groupe acide ( $\text{–COOH}$ ) et un groupe basique ( $\text{–NH}_2$ ) : on dit qu’il est amphotère, ou ampholyte. Ces deux fonctions réagissent l’une sur l’autre à l’intérieur même de la molécule — une réaction acido-basique intramoléculaire que tu étudieras en détail en section 5, avec la forme zwitterionique et le point isoélectrique $\text{pHi}$ .

Attention

Ne réduis pas un acide $\alpha$ -aminé à sa seule fonction acide carboxylique : au pH physiologique, voisin de $7$ , c’est en réalité sa forme zwitterionique — globalement neutre mais chargée localement — qui domine très largement, et non la forme neutre « manuel de chimie » $\text{R–CH(NH}_2\text{)–COOH}$ , pratiquement absente en solution.

4Chiralité et carbone asymétrique

Regarde ta main droite dans un miroir : l’image que tu vois ressemble à une main gauche. Tes deux mains sont superposables à leur image dans un miroir, mais pas superposables entre elles. Cette propriété géométrique, la chiralité, existe aussi à l’échelle moléculaire — et le carbone $\alpha$ d’un acide aminé en est l’exemple le plus important du programme.

4.1 Le carbone asymétrique

Définition

Un atome de carbone est dit asymétrique, noté $\text{C}^{*}$ , lorsqu’il est lié à quatre substituants tous différents.

Figure 3 — Le carbone

\alpha

d’un acide aminé (ici représenté en générique) porte quatre substituants différents

\text{–NH}_2

\text{–COOH}

\text{–H}

\text{–R}

: c’est un carbone asymétrique

\text{C}^{*}

dès que

\text{R} \neq \text{H}

Dans un acide $\alpha$ -aminé, le carbone $\alpha$ porte $\text{–NH}_2$ , $\text{–COOH}$ , $\text{–H}$ et $\text{–R}$ : ces quatre groupes sont différents dès que $\text{R} \neq \text{H}$ . Le carbone $\alpha$ est donc asymétrique pour dix-neuf des vingt acides aminés naturels.

Attention

La glycine échappe à la règle : sa chaîne latérale est $\text{R} = \text{–H}$ , donc son carbone $\alpha$ porte deux atomes d’hydrogène identiques. La glycine n’a pas de carbone asymétrique et n’est pas chirale — c’est le seul cas parmi les vingt acides aminés naturels. Piège très classique du baccalauréat.

4.2 Chiralité et énantiomères

Définition

Deux molécules sont énantiomères l’une de l’autre si elles sont images l’une de l’autre dans un miroir et non superposables. Une molécule possédant un unique carbone asymétrique existe toujours sous deux formes énantiomères, et deux seulement.

Propriété

Deux énantiomères ont exactement les mêmes propriétés physiques (température de fusion, d’ébullition, solubilité…) et les mêmes propriétés chimiques face à un réactif non chiral. Ils ne se distinguent que par deux aspects : leur action sur la lumière polarisée (l’un la dévie vers la droite, l’autre vers la gauche, de façon symétrique), et leur comportement face à un milieu lui-même chiral — ce qui est justement le cas de tout organisme vivant.

C’est cette dernière propriété qui rend la chiralité biologiquement essentielle : les enzymes, elles-mêmes construites à partir d’acides aminés chiraux, ne reconnaissent souvent qu’un seul des deux énantiomères d’une molécule donnée.

4.3 Représentation de Fischer et série L

Méthode — construire une représentation de Fischer

On place la chaîne carbonée verticalement, le carbone le plus oxydé (ici $\text{–COOH}$ ) en haut. Par convention, un trait vertical représente une liaison qui s’éloigne de l’œil, vers l’arrière, et un trait horizontal une liaison qui se rapproche de l’œil, vers l’avant.

Figure 4 — Les deux énantiomères de l’alanine en représentation de Fischer. La L-alanine (

\text{NH}_2

à gauche) est la seule utilisée par le vivant ; la D-alanine, son image en miroir, ne lui est pas superposable.

Définition — série L

Par convention, proposée par Emil Fischer, un acide $\alpha$ -aminé appartient à la série L lorsque le groupe $\text{–NH}_2$ est placé à gauche du carbone $\alpha$ en représentation de Fischer ( $\text{COOH}$ en haut). Tous les acides aminés naturels des protéines appartiennent à la série L — un remarquable exemple d’homochiralité du vivant.

Exemple — Fischer de la sérine

Pour la sérine, $\text{HOCH}_2\text{–CH(NH}_2\text{)–COOH}$ : on place $\text{COOH}$ en haut, $\text{CH}_2\text{OH}$ en bas, $\text{NH}_2$ à gauche et $\text{H}$ à droite pour représenter l’énantiomère L, seul présent dans le vivant. L’énantiomère D s’obtient en échangeant les positions de $\text{NH}_2$ et de $\text{H}$ .

Chimie & Co — Pasteur et la naissance de la stéréochimie

En 1848, à seulement 25 ans, Louis Pasteur examine au microscope des cristaux de tartrate double de sodium et d’ammonium. Il remarque que certains cristaux possèdent de petites facettes orientées à droite, d’autres à gauche — deux formes images l’une de l’autre dans un miroir. À la pince et à la loupe, il les trie patiemment un par un : les deux lots séparés dévient la lumière polarisée en sens opposés. Pasteur venait de démontrer, le premier, l’existence de molécules chirales, et de réaliser la toute première séparation d’énantiomères de l’histoire — fondant la stéréochimie. Ce même phénomène explique pourquoi seule la série L des acides aminés est utilisée par le vivant.

5Zwitterion et pHi

Tu as vu que l’acide $\alpha$ -aminé est amphotère : son groupe $\text{–COOH}$ est acide, son groupe $\text{–NH}_2$ est basique. Ces deux groupes sont si proches, portés par le même carbone $\alpha$ , qu’ils réagissent l’un avec l’autre, sans même attendre un autre réactif.

5.1 La forme zwitterionique

Définition

Le groupe $\text{–COOH}$ , acide, cède un proton au groupe $\text{–NH}_2$ , basique, de la même molécule :

$\text{R–CH(NH}_2\text{)–COOH} \longrightarrow {}^{+}\text{H}_3\text{N–CHR–COO}^{-}$

La molécule obtenue, appelée zwitterion (ou amphion), porte deux charges opposées mais reste globalement neutre. C’est la forme très largement majoritaire d’un acide aminé en solution aqueuse, y compris à l’état solide.

Exemple — zwitterion de la glycine et de l’alanine

glycine neutre : $\text{H}_2\text{N–CH}_2\text{–COOH}$
$\Rightarrow$ zwitterion : ${}^{+}\text{H}_3\text{N–CH}_2\text{–COO}^{-}$
alanine neutre : $\text{CH}_3\text{–CH(NH}_2\text{)–COOH}$
$\Rightarrow$ zwitterion : ${}^{+}\text{H}_3\text{N–CH(CH}_3\text{)–COO}^{-}$

Cette structure explique des propriétés physiques étonnantes : température de fusion élevée, absence de volatilité, forte solubilité dans l’eau et quasi nulle dans les solvants apolaires — un comportement de solide ionique, pas celui d’une petite molécule organique neutre.

5.2 Les deux pKa et le diagramme de prédominance

Le zwitterion porte encore deux fonctions ionisables : le groupe $\text{–COO}^{-}$ peut recapter un proton, le groupe ${}^{+}\text{H}_3\text{N–}$ peut en céder un. Un acide $\alpha$ -aminé est donc caractérisé par deux couples acide/base.

Propriété — les deux couples de l’acide aminé

Couple	Forme acide	Forme basique	pKa usuel
1 (fonction COOH)	${}^{+}\text{H}_3\text{N–CHR–COOH}$ (cation)	${}^{+}\text{H}_3\text{N–CHR–COO}^{-}$ (zwitterion)	$\text{pKa}_1 \approx 2{,}3$
2 (fonction $\text{NH}_3^{+}$ )	${}^{+}\text{H}_3\text{N–CHR–COO}^{-}$ (zwitterion)	$\text{H}_2\text{N–CHR–COO}^{-}$ (anion)	$\text{pKa}_2 \approx 9{,}7$

Figure 5 — Diagramme de prédominance : trois espèces se succèdent quand le pH croît. Le point isoélectrique

\text{pHi}

(trait violet) est le milieu du domaine zwitterion, à équidistance des deux pKa.

Trois espèces se succèdent donc quand le pH augmente : la forme cation (pH très acide), la forme zwitterion (domaine intermédiaire, très étendu), puis la forme anion (pH très basique).

5.3 Le point isoélectrique pHi

Définition

Le point isoélectrique $\text{pHi}$ est le pH pour lequel la charge électrique moyenne de l’acide aminé en solution est nulle : les concentrations de la forme cation et de la forme anion y sont égales, $[\text{cation}] = [\text{anion}]$ .

Théorème

$\text{pHi} = \dfrac{\text{pKa}_1 + \text{pKa}_2}{2}$

Démonstration

On applique la relation d’Henderson-Hasselbalch à chacun des deux couples acide/base.

couple 1 : $\text{pH} = \text{pKa}_1 + \log\dfrac{[\text{zwitterion}]}{[\text{cation}]}$
couple 2 : $\text{pH} = \text{pKa}_2 + \log\dfrac{[\text{anion}]}{[\text{zwitterion}]}$
au pH particulier $\text{pH} = \text{pHi}$ , on ajoute membre à membre ces deux égalités
$\Rightarrow$ $2\,\text{pHi} = \text{pKa}_1 + \text{pKa}_2 + \log\dfrac{[\text{zwitterion}]}{[\text{cation}]} + \log\dfrac{[\text{anion}]}{[\text{zwitterion}]}$
$\Rightarrow$ $2\,\text{pHi} = \text{pKa}_1 + \text{pKa}_2 + \log\dfrac{[\text{anion}]}{[\text{cation}]}$ les termes en $[\text{zwitterion}]$ se simplifient
or, par définition du pHi : $[\text{cation}] = [\text{anion}]$
$\Rightarrow$ $\log\dfrac{[\text{anion}]}{[\text{cation}]} = \log 1 = 0$
$\Rightarrow$ $2\,\text{pHi} = \text{pKa}_1 + \text{pKa}_2$
d’où $\text{pHi} = \dfrac{\text{pKa}_1 + \text{pKa}_2}{2}$ C.Q.F.D.

Exemple — pHi de la glycine

$\text{pKa}_1 \approx 2{,}3$ et $\text{pKa}_2 \approx 9{,}7$
$\text{pHi} = \dfrac{2{,}3+9{,}7}{2}$
$=$ $6{,}0$

À $\text{pH} = 6{,}0$ , la glycine est très majoritairement sous forme zwitterionique et sa charge moyenne est nulle : elle ne migre pas sous un champ électrique.

Attention

Le $\text{pHi}$ n’est ni $\text{pKa}_1$ ni $\text{pKa}_2$ : c’est leur moyenne. Ne le confonds pas non plus avec un pH « neutre » universel de $7{,}0$ : chaque acide aminé a son propre $\text{pHi}$ , qui dépend de sa chaîne latérale $\text{R}$ (certains, comme l’acide glutamique ou la lysine, ont un $\text{pHi}$ très éloigné de $6$ , car leur chaîne latérale porte elle-même une fonction ionisable).

5.4 Électrophorèse

Méthode — principe de l’électrophorèse

On dépose une goutte de solution d’acide aminé, ou de protéine, au centre d’un support imprégné d’une solution tampon, entre deux électrodes reliées à un générateur. Selon le pH du tampon comparé au pHi de l’espèce étudiée, celle-ci migre vers l’une ou l’autre électrode, ou reste immobile.

Figure 6 — Électrophorèse d’un acide aminé : si pH

<

pHi, la forme cation domine et migre vers la cathode ; si pH

>

pHi, la forme anion domine et migre vers l’anode ; à pH = pHi, aucune migration nette.

Cette technique sépare les acides aminés, ou les protéines, d’un mélange selon leur $\text{pHi}$ : un outil incontournable en biochimie et en analyse médicale, par exemple pour identifier une hémoglobine anormale — tu retrouveras cet exemple en exercice.

6Liaison peptidique et protéines

Deux acides $\alpha$ -aminés peuvent s’unir pour former une molécule plus grande : c’est ainsi, par répétition, que se construit chaque protéine de ton corps, de la kératine de tes cheveux à l’hémoglobine de ton sang.

6.1 Formation de la liaison peptidique

Définition

La liaison peptidique se forme par condensation : le groupe $\text{–COOH}$ d’un premier acide aminé réagit avec le groupe $\text{–NH}_2$ d’un second, avec élimination d’une molécule d’eau. Il se forme une fonction amide, ici appelée liaison peptidique.

Figure 7 — Formation d’un dipeptide : le

\text{–OH}

\text{COOH}

d’un acide aminé et un

\text{–H}

\text{NH}_2

de l’autre partent ensemble sous forme d’eau ; il reste une liaison peptidique

\text{–CO–NH–}

Le composé obtenu, formé de deux acides aminés, est un dipeptide. En répétant l’opération, on obtient un tripeptide, puis un polypeptide — la limite entre « peptide » et « protéine » se situant, par convention, autour d’une cinquantaine de résidus.

6.2 Dipeptides et isomérie

Dans un dipeptide, une extrémité conserve un groupe $\text{–NH}_2$ libre (extrémité N-terminale), l’autre un groupe $\text{–COOH}$ libre (extrémité C-terminale). Par convention, on écrit toujours un peptide de l’extrémité N-terminale vers l’extrémité C-terminale.

Attention

À partir de glycine et d’alanine, on peut former deux dipeptides différents selon lequel des deux fournit le $\text{COOH}$ et lequel fournit le $\text{NH}_2$ : le dipeptide Gly-Ala (glycine en N-terminal) et le dipeptide Ala-Gly (alanine en N-terminal) sont deux isomères — deux molécules différentes, aux propriétés différentes. L’ordre d’écriture n’est jamais indifférent.

Exemple — les deux dipeptides Gly-Ala et Ala-Gly

Gly-Ala : $\text{H}_2\text{N–CH}_2\text{–CO–NH–CH(CH}_3\text{)–COOH}$ glycine en N-terminal, son COOH réagit avec le NH₂ de l’alanine
Ala-Gly : $\text{H}_2\text{N–CH(CH}_3\text{)–CO–NH–CH}_2\text{–COOH}$ alanine en N-terminal, son COOH réagit avec le NH₂ de la glycine

6.3 Stratégie de synthèse peptidique

Un acide aminé possède à la fois un $\text{–COOH}$ et un $\text{–NH}_2$ : en mélange direct, chaque molécule peut réagir avec elle-même ou dans le désordre, donnant un mélange incontrôlable de peptides. Pour synthétiser un seul dipeptide donné, dans un ordre choisi, il faut :

Méthode — synthèse dirigée d’un dipeptide

protéger le groupe $\text{NH}_2$ de l’acide aminé qui doit rester en N-terminal, pour l’empêcher de réagir avant l’étape voulue ;
activer le groupe $\text{COOH}$ de l’acide aminé qui doit réagir, en le transformant en une fonction plus électrophile (comme un chlorure d’acyle), pour qu’il réagisse sélectivement avec le $\text{NH}_2$ libre de l’autre ;
faire réagir les deux partenaires pour former la liaison peptidique ;
déprotéger en fin de synthèse pour libérer le $\text{NH}_2$ initial.

Cette stratégie « protéger — activer — coupler — déprotéger » est la même, dans son principe, que celle employée aujourd’hui pour synthétiser des médicaments peptidiques ou des hormones de synthèse.

6.4 Hydrolyse des peptides

La réaction inverse de la formation d’un peptide est l’hydrolyse : en présence d’eau, en milieu acide, en milieu basique, ou catalysée par une enzyme, la liaison peptidique est coupée et redonne les acides aminés constitutifs.

Exemple — hydrolyse de Gly-Ala

$\text{H}_2\text{N–CH}_2\text{–CO–NH–CH(CH}_3\text{)–COOH} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{H}_2\text{N–CH}_2\text{–COOH} + \text{H}_2\text{N–CH(CH}_3\text{)–COOH}$

C’est cette hydrolyse, réalisée par les enzymes digestives (pepsine, trypsine…), qui libère dans ton tube digestif les acides aminés des protéines que tu manges.

6.5 Polypeptides et protéines

Définition

La structure primaire d’une protéine est la séquence, dans l’ordre, des acides aminés qui la composent. Cette séquence détermine entièrement la façon dont la chaîne se replie dans l’espace, et donc la fonction de la protéine.

Les protéines assurent des fonctions extrêmement variées : les enzymes catalysent les réactions du métabolisme, l’hémoglobine transporte le dioxygène dans le sang, le collagène structure les tissus, les anticorps défendent l’organisme. Toutes sont bâties, sans exception, à partir des vingt mêmes acides $\alpha$ -aminés de série L.

Chimie & Co — la théorie peptidique des protéines

En 1902, lors du même congrès de naturalistes à Karlsbad, deux chimistes proposent indépendamment que les protéines sont des chaînes d’acides aminés reliés par des liaisons amide : l’Allemand Emil Fischer, qui avait déjà synthétisé au laboratoire les tout premiers petits peptides dès 1901, et Franz Hofmeister. C’est Fischer qui invente le mot « peptide ». Un demi-siècle plus tard, en 1955, le Britannique Frederick Sanger détermine la séquence complète de l’insuline — la toute première protéine entièrement séquencée —, exploit qui lui vaudra le prix Nobel de chimie en 1958.

6.6 Acides aminés essentiels et nutrition

Définition

Un acide aminé est dit essentiel lorsque l’organisme humain est incapable de le synthétiser lui-même : il doit obligatoirement être apporté par l’alimentation (par exemple la lysine, la méthionine, ou la phénylalanine).

Aucun aliment courant n’apporte, à lui seul, les neuf acides aminés essentiels dans des proportions idéales. Les céréales (mil, riz, maïs), base de l’alimentation sahélienne, sont généralement pauvres en lysine mais correctement pourvues en acides aminés soufrés. Les légumineuses (niébé, arachide), à l’inverse, sont riches en lysine mais plus pauvres en acides aminés soufrés comme la méthionine.

Exemple — complémentarité mil-niébé-arachide

Un repas associant mil et niébé, éventuellement complété d’arachide, très répandu au Sahel, compense les faiblesses de chaque aliment pris isolément : le niébé apporte la lysine qui manque au mil, le mil apporte les acides aminés soufrés qui manquent au niébé. L’organisme reçoit ainsi un profil d’acides aminés essentiels bien plus complet qu’avec la céréale seule — un principe de complémentarité protéique essentiel là où viande et poisson sont rares ou coûteux.

Fiche mémo

Amine primaire $\text{R–NH}_2$ , secondaire $\text{R–NH–R}'$ , tertiaire $\text{R}_3\text{N}$ : la classe dépend des carbones portés par l’azote.
Basicité : $\text{R–NH}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{R–NH}_3^{+} + \text{HO}^{-}$ , $\text{pKa}(\text{RNH}_3^{+}/\text{RNH}_2) \approx 10$ – $11$ ; amine aliphatique $>$ $\text{NH}_3$ $>$ aniline.
Nucléophilie : alkylation par un halogénoalcane jusqu’à l’ammonium quaternaire $\text{R}_4\text{N}^{+}$ (réaction de Hofmann) ; acylation par chlorure d’acyle/anhydride $\longrightarrow$ amide.
Acide $\alpha$ -aminé : $\text{R–CH(NH}_2\text{)–COOH}$ ; carbone $\alpha$ asymétrique $\text{C}^{*}$ , sauf pour la glycine ( $\text{R}=\text{H}$ ).
Deux énantiomères = images en miroir non superposables, mêmes propriétés physiques ; les acides aminés naturels sont tous de série L.
Forme zwitterionique ${}^{+}\text{H}_3\text{N–CHR–COO}^{-}$ : forme majoritaire en solution ; $\text{pKa}_1 \approx 2{,}3$ (COOH), $\text{pKa}_2 \approx 9{,}7$ ( $\text{NH}_3^{+}$ ).
Point isoélectrique $\text{pHi} = \dfrac{\text{pKa}_1+\text{pKa}_2}{2}$ : pH où $[\text{cation}]=[\text{anion}]$ , charge moyenne nulle.
Électrophorèse : pH $<$ pHi $\Rightarrow$ migration vers la cathode ; pH $>$ pHi $\Rightarrow$ migration vers l’anode ; pH = pHi $\Rightarrow$ pas de migration.
Liaison peptidique : condensation $\text{COOH} + \text{H}_2\text{N} \longrightarrow \text{CO–NH} + \text{H}_2\text{O}$ .
Gly-Ala $\neq$ Ala-Gly : deux dipeptides isomères ; l’ordre N-terminal $\to$ C-terminal compte toujours.
Synthèse dirigée : protéger le $\text{NH}_2$ , activer le $\text{COOH}$ , coupler, déprotéger.
Structure primaire = séquence des acides aminés d’une protéine ; elle détermine sa fonction (enzyme, hémoglobine…).
Acide aminé essentiel = non synthétisé par l’organisme ; complémentarité céréale (mil) + légumineuse (niébé, arachide) pour un apport complet.

7Exercices corrigés

Niveau 1 — Application directe

Pour chacune des molécules suivantes, indique la classe (primaire, secondaire ou tertiaire) puis donne son nom : a) $\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CH}_2\text{–NH}_2$ ; b) $\left(\text{CH}_3\right)_2\text{NH}$ ; c) $\text{CH}_3\text{–NH–CH}_2\text{–CH}_3$ ; d) $\left(\text{CH}_3\text{CH}_2\right)_3\text{N}$ .

Voir le corrigé détaillé

a) un seul carbone sur l’azote → primaire ; nom : propan-1-amine
b) deux carbones sur l’azote → secondaire ; nom : N-méthylméthanamine
c) deux carbones sur l’azote → secondaire ; nom : N-méthyléthanamine
d) trois carbones sur l’azote → tertiaire ; nom : N,N-diéthyléthanamine

Écris l’équation de la réaction entre l’éthanamine et l’eau. Précise le couple acide/base mis en jeu et indique si une solution aqueuse d’éthanamine est acide ou basique. On donne $\text{pKa}(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{NH}_3^{+}/\text{CH}_3\text{CH}_2\text{NH}_2) = 10{,}8$ .

Voir le corrigé détaillé

$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{NH}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{CH}_2\text{NH}_3^{+} + \text{HO}^{-}$
couple : $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{NH}_3^{+}/\text{CH}_3\text{CH}_2\text{NH}_2$
$\text{pKa} = 10{,}8$ très supérieur à 7 : la forme basique domine

La solution est basique : l’éthanamine, base faible, produit des ions $\text{HO}^{-}$ en solution aqueuse.

La sérine a pour formule $\text{HOCH}_2\text{–CH(NH}_2\text{)–COOH}$ . Identifie le carbone asymétrique et justifie ta réponse.

Voir le corrigé détaillé

Le carbone $\alpha$ (celui qui porte $\text{NH}_2$ et $\text{COOH}$ ) est lié à quatre groupes : $\text{–NH}_2$ , $\text{–COOH}$ , $\text{–H}$ , et $\text{–CH}_2\text{OH}$ . Ces quatre substituants sont tous différents : ce carbone est donc asymétrique, noté $\text{C}^{*}$ .

Écris la formule zwitterionique de la valine $\left(\text{CH}_3\right)_2\text{CH–CH(NH}_2\text{)–COOH}$ et de la phénylalanine $\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_2\text{–CH(NH}_2\text{)–COOH}$ .

Voir le corrigé détaillé

valine : ${}^{+}\text{H}_3\text{N–CH}\left[\text{CH(CH}_3)_2\right]\text{–COO}^{-}$ le COOH cède un H⁺ au NH₂ de la même molécule
phénylalanine : ${}^{+}\text{H}_3\text{N–CH}\left(\text{CH}_2\text{C}_6\text{H}_5\right)\text{–COO}^{-}$

Complète l’équation et nomme le produit organique formé : $\text{CH}_3\text{–NH}_2 + \text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CO–Cl} \longrightarrow \; ? \; + \; ?$

Voir le corrigé détaillé

$\text{CH}_3\text{–NH}_2 + \text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CO–Cl}$
$\longrightarrow$ $\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CO–NH–CH}_3 + \text{HCl}$ le doublet de l’azote attaque le carbonyle électrophile

Le produit organique est le N-méthylpropanamide.

Niveau 2 — Approfondissement

Classe par basicité croissante l’ammoniac, la méthanamine et l’aniline. Justifie à l’aide des effets électroniques des groupes portés par l’azote.

Voir le corrigé détaillé

Le groupe méthyle de la méthanamine est donneur par effet inductif : il enrichit l’azote en densité électronique, rendant son doublet plus disponible que celui de l’ammoniac — la méthanamine est donc plus basique que $\text{NH}_3$ .

À l’inverse, dans l’aniline, le doublet de l’azote se délocalise partiellement dans le cycle aromatique par conjugaison : il devient moins disponible pour capter un proton — l’aniline est donc moins basique que $\text{NH}_3$ .

Ordre de basicité croissante : aniline $<$ ammoniac $<$ méthanamine, ce que confirment les pKa usuels : $4{,}6 < 9{,}2 < 10{,}6$ .

Pour la glycine ( $\text{pKa}_1 = 2{,}3$ ; $\text{pKa}_2 = 9{,}7$ ), calcule le rapport $\dfrac{[\text{zwitterion}]}{[\text{cation}]}$ puis le rapport $\dfrac{[\text{anion}]}{[\text{zwitterion}]}$ à $\text{pH} = 7{,}0$ . Quelle est l’espèce très largement majoritaire à ce pH ?

Voir le corrigé détaillé

$\text{pH} = \text{pKa}_1 + \log\dfrac{[\text{zwitterion}]}{[\text{cation}]}$
$\Rightarrow$ $\log\dfrac{[\text{zwitterion}]}{[\text{cation}]} = 7{,}0-2{,}3 = 4{,}7$
$\Rightarrow$ $\dfrac{[\text{zwitterion}]}{[\text{cation}]} = 10^{4{,}7} \approx 5{,}0\times10^{4}$
$\text{pH} = \text{pKa}_2 + \log\dfrac{[\text{anion}]}{[\text{zwitterion}]}$
$\Rightarrow$ $\log\dfrac{[\text{anion}]}{[\text{zwitterion}]} = 7{,}0-9{,}7 = -2{,}7$
$\Rightarrow$ $\dfrac{[\text{anion}]}{[\text{zwitterion}]} = 10^{-2{,}7} \approx 2{,}0\times10^{-3}$

Les deux rapports montrent que $[\text{zwitterion}] \gg [\text{cation}]$ et $[\text{zwitterion}] \gg [\text{anion}]$ : à $\text{pH} = 7{,}0$ , la glycine est très largement sous forme zwitterionique.

On fait réagir la méthanamine avec un large excès de bromoéthane. Écris toutes les étapes successives jusqu’à l’ammonium quaternaire, en nommant chaque espèce formée.

Voir le corrigé détaillé

$\text{CH}_3\text{NH}_2 + \text{CH}_3\text{CH}_2\text{Br} \longrightarrow \text{CH}_3\text{NH}_2\text{CH}_2\text{CH}_3^{+} + \text{Br}^{-}$ sel de N-éthylméthanaminium
$+ \text{CH}_3\text{NH}_2 \longrightarrow \text{CH}_3\text{–NH–CH}_2\text{CH}_3 + \text{CH}_3\text{NH}_3^{+}$ déprotonation ; amine secondaire N-éthylméthanamine libérée
$\text{CH}_3\text{–NH–CH}_2\text{CH}_3 + \text{CH}_3\text{CH}_2\text{Br} \longrightarrow \left(\text{CH}_3\text{CH}_2\right)_2\text{NHCH}_3^{+} + \text{Br}^{-}$ amine tertiaire protonée, après déprotonation du sel précédent
… nouvelle déprotonation, puis nouvelle alkylation …
$\Rightarrow$ $\left(\text{CH}_3\text{CH}_2\right)_3\text{NCH}_3^{+} + \text{Br}^{-}$ ammonium quaternaire N,N-diéthyl-N-méthyléthanaminium, stade final

Dessine, en représentation de Fischer, les deux énantiomères de la valine $\left(\text{CH}_3\right)_2\text{CH–CH(NH}_2\text{)–COOH}$ . Précise laquelle est de série L, et explique pourquoi ce sont des isomères de configuration.

Voir le corrigé détaillé

On place $\text{COOH}$ en haut de la chaîne verticale et $\text{CH(CH}_3)_2$ en bas. Pour la L-valine, $\text{NH}_2$ est placé à gauche et $\text{H}$ à droite, comme pour la L-alanine de la Figure 4 ; pour la D-valine, les positions de $\text{NH}_2$ et $\text{H}$ sont échangées.

Les deux structures possèdent la même formule brute et le même enchaînement d’atomes : seule diffère la disposition spatiale autour du carbone $\alpha$ , asymétrique. Ce sont donc des isomères de configuration, non superposables — des énantiomères. Seule la L-valine est utilisée par le vivant.

Niveau 3 — Type bac

Étude de l’alanine. On donne $\text{pKa}_1 = 2{,}3$ (couple cation/zwitterion) et $\text{pKa}_2 = 9{,}7$ (couple zwitterion/anion).

Écris la formule semi-développée de l’alanine sous forme neutre, puis sous forme zwitterionique.
Identifie le carbone asymétrique de l’alanine et indique comment obtenir ses deux énantiomères en projection de Fischer.
Démontre que $\text{pHi} = \dfrac{\text{pKa}_1+\text{pKa}_2}{2}$ , puis calcule sa valeur numérique.
Indique, en le justifiant, quelle est la forme prédominante de l’alanine dans le suc gastrique ( $\text{pH} \approx 1{,}5$ ).

Voir le corrigé détaillé

1. Forme neutre : $\text{CH}_3\text{–CH(NH}_2\text{)–COOH}$ ; forme zwitterionique : ${}^{+}\text{H}_3\text{N–CH(CH}_3\text{)–COO}^{-}$ .

2. Le carbone $\alpha$ porte $\text{NH}_2$ , $\text{COOH}$ , $\text{H}$ et $\text{CH}_3$ , quatre groupes différents : il est asymétrique. Les deux énantiomères L et D s’obtiennent comme sur la Figure 4, en échangeant $\text{NH}_2$ et $\text{H}$ .

3. On écrit la relation d’Henderson-Hasselbalch pour chacun des deux couples, on additionne membre à membre à $\text{pH}=\text{pHi}$ , et l’on utilise $[\text{cation}]=[\text{anion}]$ pour annuler le terme logarithmique restant (voir la démonstration complète en section 5.3), ce qui donne $\text{pHi} = \dfrac{\text{pKa}_1+\text{pKa}_2}{2}$ .

$\text{pHi} = \dfrac{2{,}3+9{,}7}{2}$
$=$ $6{,}0$

4. Dans le suc gastrique, $\text{pH} \approx 1{,}5 < \text{pKa}_1 = 2{,}3$ : le couple 1 est déplacé vers sa forme acide. La forme cation ${}^{+}\text{H}_3\text{N–CH(CH}_3\text{)–COOH}$ est donc prédominante.

Dipeptides de la glycine et de l’alanine.

Écris l’équation de la réaction de condensation entre la glycine et l’alanine, sachant que c’est le $\text{COOH}$ de la glycine qui réagit avec le $\text{NH}_2$ de l’alanine.
Montre qu’il existe un second dipeptide possible à partir des deux mêmes acides aminés ; nomme les deux dipeptides et écris leurs formules.
Explique pourquoi une synthèse non dirigée des deux acides aminés en mélange ne donnerait pas sélectivement l’un des deux dipeptides.
Écris l’équation d’hydrolyse totale du dipeptide obtenu à la question 1.

Voir le corrigé détaillé

$\text{H}_2\text{N–CH}_2\text{–COOH} + \text{H}_2\text{N–CH(CH}_3\text{)–COOH} \longrightarrow \text{H}_2\text{N–CH}_2\text{–CO–NH–CH(CH}_3\text{)–COOH} + \text{H}_2\text{O}$

2. Si c’est le $\text{COOH}$ de l’alanine qui réagit avec le $\text{NH}_2$ de la glycine, on obtient un second dipeptide. Gly-Ala ( $\text{H}_2\text{N–CH}_2\text{–CO–NH–CH(CH}_3\text{)–COOH}$ , glycine en N-terminal) et Ala-Gly ( $\text{H}_2\text{N–CH(CH}_3\text{)–CO–NH–CH}_2\text{–COOH}$ , alanine en N-terminal) sont deux dipeptides isomères, distincts.

3. En mélange libre, chaque molécule porte à la fois un $\text{COOH}$ et un $\text{NH}_2$ réactifs : glycine et alanine peuvent réagir dans les deux sens, entre elles ou avec elles-mêmes, ce qui produit un mélange des deux dipeptides, et de peptides plus longs, sans sélectivité. Il faut protéger un $\text{NH}_2$ et activer un $\text{COOH}$ pour imposer l’ordre voulu.

$\text{H}_2\text{N–CH}_2\text{–CO–NH–CH(CH}_3\text{)–COOH} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{H}_2\text{N–CH}_2\text{–COOH} + \text{H}_2\text{N–CH(CH}_3\text{)–COOH}$

Titrage d’un acide aminé. On dose, par la soude, une solution acide d’un acide $\alpha$ -aminé (forme cation initiale). Le suivi pH-métrique fait apparaître deux sauts de pH, aux volumes équivalents $V_1$ et $V_2 = 2V_1$ . À la demi-équivalence du premier saut, $\text{pH} = 2{,}3$ ; à la demi-équivalence du second saut, comptée depuis $V_1$ , $\text{pH} = 9{,}1$ .

Rappelle pourquoi le pH à la demi-équivalence d’un saut donne directement un pKa.
Donne les valeurs de $\text{pKa}_1$ et $\text{pKa}_2$ de cet acide aminé.
Calcule son point isoélectrique $\text{pHi}$ .

Voir le corrigé détaillé

1. À la demi-équivalence, la moitié de l’espèce acide du couple a été transformée en sa forme basique : $[\text{acide}]=[\text{base}]$ , donc $\log\dfrac{[\text{base}]}{[\text{acide}]}=0$ , et la relation d’Henderson-Hasselbalch donne $\text{pH}=\text{pKa}$ .

2. $\text{pKa}_1 = 2{,}3$ (couple cation/zwitterion) et $\text{pKa}_2 = 9{,}1$ (couple zwitterion/anion).

$\text{pHi} = \dfrac{\text{pKa}_1+\text{pKa}_2}{2}$
$=$ $\dfrac{2{,}3+9{,}1}{2}$
$=$ $5{,}7$

On dispose d’une solution de méthanamine de concentration $c = 1{,}0\times10^{-2}\ \text{mol·L}^{-1}$ , de $\text{pKa} = 10{,}6$ .

Explique, en une phrase, pourquoi une amine est à la fois plus basique et plus nucléophile qu’un alcool de structure comparable.
Pour une base faible peu dissociée, le pH de la solution vérifie $\text{pH} = 7 + \dfrac{1}{2}\text{pKa} + \dfrac{1}{2}\log c$ . Calcule le pH de cette solution.

Voir le corrigé détaillé

1. Dans les deux cas, c’est un doublet non liant qui est mis en jeu ; mais l’azote est moins électronégatif que l’oxygène, donc son doublet est moins retenu : il est à la fois plus disponible pour capter $\text{H}^{+}$ (basicité) et plus disponible pour attaquer un site électrophile (nucléophilie).

$\text{pH} = 7 + \dfrac{1}{2}\times10{,}6 + \dfrac{1}{2}\log\left(1{,}0\times10^{-2}\right)$
$=$ $7 + 5{,}3 - 1{,}0$
$=$ $11{,}3$

Niveau 4 — Problèmes de vie courante

Un repas équilibré à Abéché. À Abéché, au Tchad, Fatimé prépare pour sa famille une boule de mil accompagnée d’une sauce au niébé et d’un peu d’arachide pilée. On donne, pour $100\ \text{g}$ de protéines : le mil apporte environ $2{,}1\ \text{g}$ de lysine ; le niébé apporte environ $6{,}8\ \text{g}$ de lysine. Le besoin journalier de référence est d’environ $4{,}5\ \text{g}$ de lysine pour $100\ \text{g}$ de protéines.

Le mil seul couvre-t-il le besoin en lysine ? Justifie.
Un mélange à parts égales de protéines de mil et de protéines de niébé permet-il de couvrir ce besoin (on admettra une simple moyenne des teneurs) ?
Explique en une phrase pourquoi associer mil et niébé améliore la qualité nutritionnelle du repas.

Voir le corrigé détaillé

1. Le mil seul apporte $2{,}1\ \text{g}$ de lysine pour $100\ \text{g}$ de protéines, inférieur au besoin de référence de $4{,}5\ \text{g}$ : il ne couvre pas le besoin en lysine.

moyenne $= \dfrac{2{,}1+6{,}8}{2}$
$=$ $4{,}45\ \text{g}$ pour $100\ \text{g}$ de protéines

2. Cette valeur, $4{,}45\ \text{g}$ , est très proche du besoin de référence $4{,}5\ \text{g}$ : le mélange mil-niébé couvre quasiment le besoin en lysine, là où le mil seul en est très loin.

3. Le mil, pauvre en lysine mais correctement pourvu en acides aminés soufrés, et le niébé, riche en lysine, se complètent : associés, ils fournissent un profil d’acides aminés essentiels bien plus équilibré que chaque aliment pris seul.

Dépistage au CHU de Bamako. Dans l’hémoglobine normale (HbA), la chaîne $\beta$ porte en position 6 un résidu d’acide glutamique, dont la chaîne latérale $\text{–CH}_2\text{CH}_2\text{COOH}$ est ionisée en $\text{–CH}_2\text{CH}_2\text{COO}^{-}$ au pH sanguin. Dans l’hémoglobine anormale S (HbS), responsable de la drépanocytose, ce même résidu est remplacé par une valine, dont la chaîne latérale $\text{–CH(CH}_3)_2$ n’est pas ionisable.

Compare la charge nette de HbA et de HbS au pH du tampon utilisé ( $\text{pH} = 8{,}6$ ).
Sur un gel d’électrophorèse, laquelle des deux hémoglobines migre le plus vite vers l’anode (+) ? Justifie.
Explique en une phrase l’intérêt médical de ce test.

Voir le corrigé détaillé

1. À $\text{pH}=8{,}6$ , le résidu glutamate de HbA apporte une charge négative supplémentaire par rapport à HbS, dont le résidu valine, non ionisable, n’apporte aucune charge à cet endroit : HbA est donc globalement plus chargée négativement que HbS.

2. Une charge négative plus importante est attirée plus fortement par l’électrode positive : HbA migre plus vite vers l’anode que HbS, dont la charge nette moins négative réduit la force électrique motrice.

3. Cette différence de migration permet de séparer et distinguer HbA et HbS sur un même gel : c’est le principe du dépistage de la drépanocytose par électrophorèse de l’hémoglobine.

Un désinfectant à Douala. Une usine de Douala synthétise un ammonium quaternaire désinfectant en faisant réagir $n_1 = 2{,}0\ \text{mol}$ d’une amine tertiaire grasse avec un excès de chlorométhane $\text{CH}_3\text{Cl}$ , selon : $\text{R}_3\text{N} + \text{CH}_3\text{Cl} \longrightarrow \text{R}_3\text{NCH}_3^{+} + \text{Cl}^{-}$ . On recueille en fin de synthèse $n_{\text{obtenue}} = 1{,}7\ \text{mol}$ d’ammonium quaternaire.

Quelle quantité de matière de chlorométhane, au minimum, faut-il introduire pour que l’amine ne soit pas le réactif limitant ?
Calcule le rendement de cette synthèse.

Voir le corrigé détaillé

1. La stœchiométrie de la réaction est $1:1$ : il faut au moins $n(\text{CH}_3\text{Cl}) = n_1 = 2{,}0\ \text{mol}$ pour que l’amine soit entièrement consommée en théorie — davantage en pratique, puisque l’énoncé précise un excès.

$\eta = \dfrac{n_{\text{obtenue}}}{n_{\text{théorique}}}$
$=$ $\dfrac{1{,}7}{2{,}0}$
$=$ $0{,}85$

Le rendement de cette synthèse est de 85 %.

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8 questions

Acides, bases et pH

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La classe d'une amine (primaire, secondaire, tertiaire) se détermine en comptant :

le nombre total de carbones de la molécule le nombre d'hydrogènes sur le carbone voisin de l'azote le nombre de groupes carbonés directement liés à l'azote le nombre de doublets non liants de l'azote

Explication : Contrairement aux alcools, la classe d'une amine porte sur l'azote, pas sur un carbone fonctionnel.

\left(\text{CH}_3\right)_3\text{C–NH}_2

est ainsi une amine primaire, un seul carbone étant lié à l'azote, bien que ce carbone soit lui-même tertiaire.

$\left(\text{CH}_3\right)_3\text{N}$ se nomme :

triméthylamine primaire N,N-diméthylméthanamine méthanamine N-méthyléthanamine

Explication : La chaîne principale portée par l'azote est méthane, avec deux substituants N-méthyle supplémentaires : N,N-diméthylméthanamine.

Comparée à l'ammoniac, une amine aliphatique comme l'éthanamine est :

plus basique, car les groupes alkyle sont donneurs par effet inductif moins basique, car les groupes alkyle sont attracteurs de basicité identique un acide, non une base

Explication : Les groupes alkyle sont donneurs par effet inductif (

+I

) : ils enrichissent l'azote en densité électronique et renforcent la disponibilité du doublet. Une amine aliphatique est donc plus basique que

\text{NH}_3

(pKa

\approx 10

–

11

contre

9{,}2

L'aniline $\text{C}_6\text{H}_5\text{–NH}_2$ est moins basique que l'ammoniac car :

elle ne possède pas de doublet non liant le noyau aromatique est un groupe donneur le doublet de l'azote se délocalise partiellement dans le cycle aromatique par conjugaison, le rendant moins disponible l'aniline n'existe qu'à l'état solide

Explication : Le groupe aryle est conjugué avec le doublet de l'azote, qui se délocalise dans le cycle : il devient moins disponible pour capter un proton. D'où l'ordre de basicité : aniline (pKa 4,6)

<

ammoniac (9,2)

<

amines aliphatiques.

En présence d'un large excès d'halogénoalcane, l'alkylation exhaustive d'une amine (réaction de Hofmann) se poursuit jusqu'à former :

une amine secondaire un amide un alcool un ammonium quaternaire

\text{R}_4\text{N}^+

Explication : Chaque alkylation est suivie d'une déprotonation qui régénère une amine plus substituée, capable de réagir à son tour, jusqu'à l'ammonium quaternaire, qui n'a plus ni doublet libre ni hydrogène à céder : il ne peut plus évoluer.

La réaction d'une amine primaire avec un chlorure d'acyle donne :

un ester un amide N-substitué un ammonium quaternaire un alcool

Explication : Le doublet de l'azote attaque le carbone du groupe carbonyle, très électrophile, du chlorure d'acyle : il se forme un amide, avec départ de

\text{HCl}

. C'est le même type de liaison que la liaison peptidique.

Un acide $\alpha$ -aminé a pour formule générale :

\text{R–NH}_2

\text{R–COOH}

\text{R–CH(NH}_2\text{)–COOH}

\text{R–CO–NH}_2

Explication : Un acide

\alpha

-aminé porte simultanément, sur le même carbone

\alpha

, un groupe amine

-\text{NH}_2

et un groupe acide carboxylique

-\text{COOH}

, en plus d'un H et de la chaîne latérale R.

Parmi les vingt acides $\alpha$ -aminés naturels, lequel ne possède PAS de carbone asymétrique ?

l'alanine la sérine la valine la glycine

Explication : La glycine a pour chaîne latérale

\text{R} = -\text{H}

: son carbone

\alpha

porte alors deux atomes d'hydrogène identiques, donc seulement trois substituants différents. C'est le seul acide aminé naturel non chiral.

Deux énantiomères d'une même molécule ont :

les mêmes propriétés physiques, mais une action opposée sur la lumière polarisée des formules brutes différentes des propriétés physiques totalement différentes la même formule, mais ne sont pas des isomères

Explication : Deux énantiomères ont exactement les mêmes propriétés physiques (température de fusion, solubilité...) et chimiques face à un réactif non chiral ; ils ne se distinguent que par leur action opposée sur la lumière polarisée et leur comportement face à un milieu chiral.

Tous les acides $\alpha$ -aminés des protéines naturelles appartiennent à :

la série D la série L un mélange équimolaire de D et L aucune série définie

Explication : Par convention de Fischer, un acide aminé est de série L quand le

-\text{NH}_2

est à gauche du carbone

\alpha

en représentation de Fischer (COOH en haut). Tous les acides aminés naturels du vivant sont de série L : c'est l'homochiralité du vivant.

En solution aqueuse, la forme très largement majoritaire d'un acide $\alpha$ -aminé est :

la forme neutre

\text{R–CH(NH}_2\text{)–COOH}

uniquement le cation le zwitterion

{}^+\text{H}_3\text{N–CHR–COO}^-

uniquement l'anion

Explication : Le groupe

-\text{COOH}

, acide, cède un proton au groupe

-\text{NH}_2

, basique, de la même molécule : le zwitterion obtenu, globalement neutre mais chargé localement, est la forme très largement majoritaire, y compris à l'état solide.

Le point isoélectrique pHi d'un acide $\alpha$ -aminé est le pH pour lequel :

seule la forme zwitterion existe le pH vaut exactement

7{,}0

\text{pHi} = \text{pKa}_1

la charge électrique moyenne est nulle, avec

[\text{cation}] = [\text{anion}]

Explication : Le pHi est défini comme le pH pour lequel les concentrations en forme cation et en forme anion sont égales, ce qui rend la charge moyenne globale nulle. Il vaut

\text{pHi} = \dfrac{\text{pKa}_1+\text{pKa}_2}{2}

, et non 7,0 en général.

Pour la glycine, $\text{pKa}_1 \approx 2{,}3$ et $\text{pKa}_2 \approx 9{,}7$ . Son point isoélectrique pHi vaut :

2{,}3

6{,}0

9{,}7

12{,}0

Explication :

\text{pHi} = \dfrac{\text{pKa}_1+\text{pKa}_2}{2} = \dfrac{2{,}3+9{,}7}{2} = \dfrac{12{,}0}{2} = 6{,}0

Lors d'une électrophorèse, si le pH du tampon est inférieur au pHi de l'acide aminé étudié, celui-ci :

ne migre pas migre vers l'anode (+) migre vers la cathode (−), car la forme cation domine précipite immédiatement

Explication : Si pH

<

pHi, la forme cation (chargée positivement) domine et est attirée par l'électrode négative, la cathode. Si pH

>

pHi, c'est l'inverse : la forme anion domine et migre vers l'anode.

La liaison peptidique se forme entre deux acides aminés par :

condensation du

-\text{COOH}

de l'un avec le

-\text{NH}_2

de l'autre, avec élimination d'eau addition simple, sans perte d'atome réaction entre deux groupes

-\text{COOH}

substitution du carbone

\alpha

Explication : Le

-\text{COOH}

d'un premier acide aminé réagit avec le

-\text{NH}_2

d'un second, avec élimination d'une molécule d'eau, pour former une fonction amide appelée liaison peptidique.

À partir de glycine et d'alanine, on peut former :

un seul dipeptide possible uniquement un tripeptide deux dipeptides identiques deux dipeptides isomères, Gly-Ala et Ala-Gly, selon celui qui fournit le COOH ou le NH₂

Explication : Selon lequel des deux acides aminés fournit le

\text{COOH}

et lequel fournit le

\text{NH}_2

, on obtient Gly-Ala (glycine en N-terminal) ou Ala-Gly (alanine en N-terminal) : deux molécules différentes, isomères l'une de l'autre.

Pour synthétiser sélectivement un seul dipeptide donné, dans un ordre choisi, la stratégie de synthèse dirigée consiste à :

chauffer fortement le mélange des deux acides aminés protéger le

\text{NH}_2

qui doit rester en N-terminal, activer le

\text{COOH}

qui doit réagir, coupler, puis déprotéger ajouter un excès d'eau utiliser uniquement un catalyseur acide

Explication : En mélange direct, chaque acide aminé possède un COOH et un NH₂ réactifs, ce qui donne un mélange incontrôlable. La stratégie « protéger — activer — coupler — déprotéger » impose l'ordre voulu.

Dans l'hémoglobine anormale S (responsable de la drépanocytose), un résidu acide glutamique (chaîne latérale ionisable en $-\text{COO}^-$ ) est remplacé par une valine (chaîne latérale non ionisable). Comparée à l'hémoglobine normale, à pH sanguin, l'hémoglobine S est :

plus chargée négativement chargée positivement moins chargée négativement, car elle a perdu une charge

-\text{COO}^-

de charge strictement identique

Explication : Le résidu glutamate de l'hémoglobine normale apporte une charge négative supplémentaire (

-\text{CH}_2\text{CH}_2\text{COO}^-

) qui manque à l'hémoglobine S (résidu valine, non ionisable) : l'hémoglobine S est donc moins chargée négativement, ce qui modifie sa migration en électrophorèse.

Les céréales comme le mil sont généralement pauvres en un acide aminé essentiel, compensé par les légumineuses comme le niébé. Cet acide aminé est :

la glycine l'alanine la méthionine la lysine

Explication : Les céréales (mil, riz, maïs) sont généralement pauvres en lysine mais correctement pourvues en acides aminés soufrés ; les légumineuses (niébé, arachide) sont riches en lysine mais plus pauvres en acides aminés soufrés comme la méthionine : d'où l'intérêt de les associer.

Une usine synthétise un ammonium quaternaire à partir de $n_1 = 2{,}0\ \text{mol}$ d'amine tertiaire et d'un excès de chlorométhane (réaction $1:1$ ). On recueille $n_{\text{obtenue}} = 1{,}7\ \text{mol}$ de produit. Le rendement de cette synthèse est :

85\ \%

100\ \%

15\ \%

17\ \%

Explication : La stœchiométrie étant

1:1

n_{\text{théorique}} = n_1 = 2{,}0\ \text{mol}

\eta = \dfrac{n_{\text{obtenue}}}{n_{\text{théorique}}} = \dfrac{1{,}7}{2{,}0} = 0{,}85

, soit

85\ \%

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En bref

Classe : Classe de Terminale (séries scientifiques)
Matière : Chimie
Durée estimée : 10 h
7 parties · 3 objectifs
Supports inclus : fiche, exercices corrigés, QCM

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