20.4 : Amines et amides

Objectifs d'apprentissage

• Décrire la structure et les propriétés d'une amine
• Décrire la structure et les propriétés d'un amide

Les amines sont des molécules qui contiennent des liaisons carbone-azote. L'atome d'azote d'une amine possède une seule paire d'électrons et trois liaisons avec d'autres atomes, soit du carbone soit de l'hydrogène. Diverses nomenclatures sont utilisées pour dériver les noms des amines, mais toutes impliquent le suffixe d'identification de classe —ine, comme illustré ici pour quelques exemples simples :

Figure\(\PageIndex{1}\)) est l'une de ces amines hétérocycliques. Un composé hétérocyclique contient des atomes d'au moins deux éléments différents dans sa structure cyclique.

Figure\(\PageIndex{1}\) : L'illustration montre l'une des structures de résonance de la pyridine.

L'ADN dans la criminalistique et la paternité

Le matériel génétique de tous les êtres vivants est un polymère de quatre molécules différentes, elles-mêmes une combinaison de trois sous-unités. L'information génétique, le code du développement d'un organisme, est contenue dans la séquence spécifique des quatre molécules, de la même manière que les lettres de l'alphabet peuvent être séquencées pour former des mots qui transmettent des informations. Les informations contenues dans une séquence d'ADN sont utilisées pour former deux autres types de polymères, dont l'un est une protéine. Les protéines interagissent pour former un type spécifique d'organisme présentant des caractéristiques individuelles.

Une molécule génétique est appelée ADN, qui signifie acide désoxyribonucléique. Les quatre molécules qui composent l'ADN sont appelées nucléotides. Chaque nucléotide est constitué d'une molécule à un ou deux anneaux contenant de l'azote, du carbone, de l'oxygène et de l'hydrogène appelée base azotée. Chaque base est liée à un sucre à cinq carbones appelé désoxyribose. Le sucre est à son tour lié à un groupe phosphate.\(\ce{(−PO4^3- )}\) Lorsqu'un nouvel ADN est produit, une réaction de polymérisation se produit qui lie le groupe phosphate d'un nucléotide au groupe sucre d'un second nucléotide. Les bases azotées de chaque nucléotide se détachent de ce squelette sucre-phosphate. L'ADN est en fait formé à partir de deux de ces polymères enroulés l'un autour de l'autre et maintenus ensemble par des liaisons hydrogène entre les bases azotées. Ainsi, les deux épines dorsales se trouvent à l'extérieur de la paire de brins enroulés et les bases à l'intérieur. La forme des deux brins enroulés l'un autour de l'autre est appelée double hélice (Figure\(\PageIndex{2}\)).

Il est probablement logique que la séquence des nucléotides de l'ADN d'un chat soit différente de celle d'un chien. Mais il est également vrai que les séquences de l'ADN dans les cellules de deux carlins diffèrent. De même, les séquences de votre ADN et celles d'un frère ou d'une sœur diffèrent (sauf si votre frère ou sœur est un jumeau identique), tout comme celles entre vous et une personne non apparentée. Cependant, les séquences d'ADN de deux individus apparentés sont plus similaires que les séquences de deux individus non apparentés, et ces similitudes de séquence peuvent être observées de différentes manières. C'est le principe qui sous-tend la prise d'empreintes génétiques, qui est une méthode utilisée pour déterminer si deux échantillons d'ADN proviennent de personnes apparentées (ou identiques) ou de personnes non apparentées.

Figure\(\PageIndex{2}\) : L'ADN est une molécule organique et le matériel génétique de tous les organismes vivants. (a) L'ADN est une double hélice constituée de deux brins d'ADN uniques liés par l'hydrogène au niveau de chaque base azotée. (b) Ce détail montre la liaison hydrogène (lignes pointillées) entre les bases azotées de chaque brin d'ADN et la manière dont chaque nucléotide est joint au suivant, formant un squelette de sucres et de groupes phosphates le long de chaque brin. (c) Ce détail montre la structure de l'un des quatre nucléotides qui composent le polymère d'ADN. Chaque nucléotide est constitué d'une base azotée (une molécule à double cycle, dans ce cas), d'un sucre à cinq carbones (désoxyribose) et d'un groupe phosphate.

En utilisant des séquences similaires, les techniciens peuvent déterminer si un homme est le père d'un enfant (l'identité de la mère est rarement mise en doute, sauf dans le cas d'un enfant adopté et d'une mère biologique potentielle). De même, les généticiens légistes peuvent déterminer si un échantillon de tissu humain prélevé sur une scène de crime, tel que du sang ou des cellules de peau, contient de l'ADN qui correspond exactement à l'ADN d'un suspect.

Comme l'ammoniac, les amines sont des bases faibles en raison de la seule paire d'électrons sur leurs atomes d'azote :

La basicité de l'atome d'azote d'une amine joue un rôle important dans une grande partie de la chimie du composé. Les groupes fonctionnels amines se trouvent dans une grande variété de composés, notamment des colorants naturels et synthétiques, des polymères, des vitamines et des médicaments tels que la pénicilline et la codéine. Ils sont également présents dans de nombreuses molécules essentielles à la vie, telles que les acides aminés, les hormones, les neurotransmetteurs et l'ADN.

Alcaloïdes addictifs

Depuis l'Antiquité, les plantes sont utilisées à des fins médicinales. Une classe de substances, appelées alcaloïdes, présente dans bon nombre de ces plantes a été isolée et contient des molécules cycliques dotées d'un groupe fonctionnel amine. Ces amines sont des bases. Ils peuvent réagir avec l'H ₃ O ⁺ dans un acide dilué pour former un sel d'ammonium, et cette propriété est utilisée pour les extraire de la plante :

\[\ce{R3N + H3O+ + Cl- ⟶[R3NH+]Cl- + H2O} \nonumber \]

Le nom alcaloïde signifie « comme un alcali ». Ainsi, un alcaloïde réagit avec l'acide. Le composé libre peut être récupéré après extraction par réaction avec une base :

\[\ce{[R3NH+]Cl- + OH- ⟶R3N + H2O + Cl-} \nonumber \]

Les structures de nombreux alcaloïdes naturels ont de profonds effets physiologiques et psychotropes chez l'homme. La nicotine, la morphine, la codéine et l'héroïne sont des exemples de ces médicaments. La plante produit ces substances, appelées collectivement composés végétaux secondaires, en tant que défenses chimiques contre les nombreux ravageurs qui tentent de se nourrir de la plante :

\(\PageIndex{3}\)Chiffre).

Figure\(\PageIndex{3}\) : Les coquelicots peuvent être utilisés dans la production d'opium, un latex végétal contenant de la morphine à partir duquel d'autres opiacés, tels que l'héroïne, peuvent être synthétisés. (crédit : Karen Roe)

Les amides sont des molécules qui contiennent des atomes d'azote connectés à l'atome de carbone d'un groupe carbonyle. Comme pour les amines, diverses règles de nomenclature peuvent être utilisées pour nommer les amides, mais toutes incluent l'utilisation du suffixe spécifique à la classe -amide :

Les amides peuvent être produits lorsque les acides carboxyliques réagissent avec des amines ou de l'ammoniac dans le cadre d'un processus appelé amidation. Une molécule d'eau est éliminée de la réaction et l'amide est formé à partir des morceaux restants d'acide carboxylique et d'amine (notez la similitude avec la formation d'un ester à partir d'un acide carboxylique et d'un alcool discutée dans la section précédente) :

La réaction entre les amines et les acides carboxyliques pour former des amides est biologiquement importante. C'est par cette réaction que les acides aminés (molécules contenant à la fois des substituants amines et des acides carboxyliques) se lient dans un polymère pour former des protéines.

Protéines et enzymes

Les protéines sont de grandes molécules biologiques constituées de longues chaînes de molécules plus petites appelées acides aminés. Les organismes dépendent des protéines pour diverses fonctions : les protéines transportent des molécules à travers les membranes cellulaires, répliquent l'ADN et catalysent les réactions métaboliques, pour ne citer que quelques-unes de leurs fonctions. Les propriétés des protéines sont fonction de la combinaison d'acides aminés qui les composent et peuvent varier considérablement. Les interactions entre les séquences d'acides aminés dans les chaînes des protéines entraînent le repliement de la chaîne en structures tridimensionnelles spécifiques qui déterminent l'activité de la protéine.

Les acides aminés sont des molécules organiques qui contiennent un groupe fonctionnel amine (-NH ₂), un groupe fonctionnel acide carboxylique (-COOH) et une chaîne latérale (spécifique à chaque acide aminé individuel). La plupart des êtres vivants fabriquent des protéines à partir des 20 mêmes acides aminés différents. Les acides aminés se connectent par la formation d'une liaison peptidique, qui est une liaison covalente formée entre deux acides aminés lorsque le groupe d'acides carboxyliques d'un acide aminé réagit avec le groupe amine de l'autre acide aminé. La formation de la liaison entraîne la production d'une molécule d'eau (en général, les réactions qui entraînent la production d'eau lorsque deux autres molécules se combinent sont appelées réactions de condensation). La liaison qui en résulte, entre l'atome de carbone du groupe carbonyle et l'atome d'azote aminé, est appelée liaison peptidique ou liaison peptidique. Comme chacun des acides aminés d'origine possède un groupe n'ayant pas réagi (l'un contient une amine n'ayant pas réagi et l'autre un acide carboxylique n'ayant pas réagi), davantage de liaisons peptidiques peuvent se former avec d'autres acides aminés, étendant ainsi la structure. (Figure\(\PageIndex{4}\)) Une chaîne d'acides aminés connectés est appelée polypeptide. Les protéines contiennent au moins une longue chaîne polypeptidique.

Figure\(\PageIndex{4}\) : Cette réaction de condensation forme un dipeptide à partir de deux acides aminés et conduit à la formation d'eau.

Les enzymes sont de grosses molécules biologiques, principalement composées de protéines, responsables des milliers de processus métaboliques qui se produisent dans les organismes vivants. Les enzymes sont des catalyseurs très spécifiques ; elles accélèrent la vitesse de certaines réactions. Les enzymes fonctionnent en diminuant l'énergie d'activation de la réaction qu'elles catalysent, ce qui peut augmenter considérablement la vitesse de la réaction. La plupart des réactions catalysées par des enzymes ont des vitesses des millions de fois plus rapides que celles de la version non catalysée. Comme tous les catalyseurs, les enzymes ne sont pas consommées lors des réactions qu'elles catalysent. Les enzymes se distinguent des autres catalyseurs par leur spécificité vis-à-vis de leurs substrats (les molécules qu'une enzyme va convertir en un produit différent). Chaque enzyme n'est capable d'accélérer qu'une ou quelques réactions ou types de réactions très spécifiques. La fonction des enzymes étant si spécifique, l'absence ou le dysfonctionnement d'une enzyme peut avoir de graves conséquences sur la santé. La phénylcétonurie est une maladie résultant d'un dysfonctionnement enzymatique. Dans cette maladie, l'enzyme qui catalyse la première étape de la dégradation de l'acide aminé phénylalanine n'est pas fonctionnelle (Figure\(\PageIndex{5}\)). Si elle n'est pas traitée, elle peut entraîner une accumulation de phénylalanine, ce qui peut entraîner des déficiences intellectuelles.

Figure\(\PageIndex{5}\) : Un rendu informatique montre la structure tridimensionnelle de l'enzyme phénylalanine hydroxylase. Dans la phénylcétonurie, un défaut de forme de la phénylalanine hydroxylase fait perdre à celle-ci sa fonction de dégradation de la phénylalanine.

Kevlar

Le Kevlar (Figure\(\PageIndex{6}\)) est un polymère synthétique fabriqué à partir de deux monomères, la 1,4-phénylène-diamine et le chlorure de téréphtaloyle (le Kevlar est une marque déposée de DuPont). La première utilisation commerciale du Kevlar a été de remplacer l'acier dans les pneus de course. Le Kevlar est généralement filé en cordes ou en fibres. Le matériau possède un rapport résistance/poids élevé (il est environ 5 fois plus résistant qu'un poids égal d'acier), ce qui le rend utile pour de nombreuses applications, des pneus de vélo aux voiles en passant par les gilets pare-balles.

Figure\(\PageIndex{6}\) : Cette illustration montre la formule du Kevlar polymère.

Le matériau doit une grande partie de sa résistance aux liaisons hydrogène entre les chaînes polymères (voir le chapitre sur les interactions intermoléculaires). Ces liaisons se forment entre l'atome d'oxygène du groupe carbonyle (qui a une charge partiellement négative due à l'électronégativité de l'oxygène) sur un monomère et l'atome d'hydrogène partiellement chargé positivement dans la liaison N—H d'un monomère adjacent dans la structure du polymère (lignes pointillées sur la figure\(\PageIndex{7}\)). Il existe une force supplémentaire dérivée de l'interaction entre les orbitales p non hybridées dans les cycles à six chaînons, appelée empilement aromatique.

Figure\(\PageIndex{7}\) : Le diagramme montre la structure polymère du Kevlar, les liaisons hydrogène entre les chaînes polymères étant représentées par des lignes pointillées.

Le Kevlar est peut-être mieux connu en tant que composant des gilets pare-balles, des casques de combat et des masques faciaux. Depuis les années 1980, l'armée américaine utilise le Kevlar comme composant du casque et du gilet PASGT (système d'armure personnel pour les troupes au sol). Le Kevlar est également utilisé pour protéger les véhicules blindés de combat et les porte-avions. Les applications civiles incluent des équipements de protection pour le personnel des services d'urgence tels que des gilets pare-balles pour les policiers et des vêtements résistants à la chaleur pour les pompiers. Les vêtements à base de Kevlar sont considérablement plus légers et plus fins que les vêtements équivalents fabriqués à partir d'autres matériaux (Figure\(\PageIndex{8}\)).

Figure\(\PageIndex{8}\) : (a) Ces soldats trient les pièces d'un casque en Kevlar qui a aidé à absorber l'explosion d'une grenade. Le Kevlar est également utilisé pour fabriquer (b) des canots et (c) des amarres marines. (crédit a : modification de l'œuvre par « Cla68 » /Wikimedia Commons ; crédit b : modification de l'œuvre par « OakleyOriginals » /Flickr ; crédit c : modification de l'œuvre par Casey H. Kyhl)

Outre ses utilisations plus connues, le Kevlar est également souvent utilisé en cryogénie pour sa très faible conductivité thermique (ainsi que sa haute résistance). Le Kevlar conserve sa haute résistance lorsqu'il est refroidi à la température de l'azote liquide (—196 °C).

Le tableau ci-dessous résume les structures abordées dans ce chapitre :

Résumé

L'ajout d'azote dans une structure organique donne naissance à deux familles de molécules. Les composés contenant un atome d'azote lié dans une structure hydrocarbonée sont classés comme des amines. Les composés qui ont un atome d'azote lié à un côté d'un groupe carbonyle sont classés comme des amides. Les amines constituent un groupe fonctionnel de base. Les amines et les acides carboxyliques peuvent se combiner dans une réaction de condensation pour former des amides.

Lexique

amine

molécule organique dans laquelle un atome d'azote est lié à un ou plusieurs groupes alkyles

amide

molécule organique comportant un atome d'azote connecté à l'atome de carbone dans un groupe carbonyle