Utilisateur:Angely/Bac à sable

Aminoacides

Objectifs: acquérir la maitrise des principes suivants:

• synthèse d'aminoacides en série racémique et énantiopure
• synthèse peptidique
• analyse peptdique

Prérequis:

• maitrise de la stéréochimie
• connaissance générale de chimie organique et particulièrement de la chimie des acides carboxyliques et des amines (rappel présent dans ce cours)

Généralités

Qu’est ce qu'un aminoacide (Structure)

Aminoacide ou acide aminé, molécule qui présente une fonction acide carboxylique et une fonction amine.
<gallery> Image:NCC(O)=O|<div style="text-align: center;">α-aminoacides</div> Image:O=C(O)CCN|<div style="text-align: center;">β-aminoacides</div> </gallery>

Quelques aminoacides de structure diverse
<gallery> Image:NCC(O)=O|<div style="text-align: center;">Non substitué<br />(ex: glycine)</div> Image:N[C@@H](C)C(O)=O|<div style="text-align: center;">Mono substitué<br />(ex: L-alanine)</div> Image:N[C@@H](CO)C(O)=O|<div style="text-align: center;">Fonctionnalisé<br />(ex: L-sérine)</div> Image:O=[C@](O)[C@H]1NCCC1|<div style="text-align: center;">Cyclique<br />(ex: L-proline)</div> </gallery>

Les propriétés chimiques des aminoacides peuvent être résumées de la façon suivante:

• Polymérisation (par création de liaison amide).
  
• Propriétés acido-basique ((par la présence des deux fonctions acide et amine ou sur la chaîne latérale).
  
• Grande variétés structurale.
  
• Fonctionnalité.
  
• Présence de carbone chiral (il est donc important de toujours préciser la nature stéréochimique d’un aminoacide.
  

Aminoacides naturels

Les aminoacides sont extrêmement répandus dans la nature, ils sont les constituants des protéines, enzymes, récepteurs et messagers chimiques. Tous les aminoacides naturels sont de la série L (à l'exception de la glycine qui n’est pas chirale).

La notation L ou S est sans rapport avec l'orientation de la lumière polarisée

Les 20 aminoacides naturels sont à connaitre par cœur, leur représentation est disponible en annexe et il sera essentiel de les connaître avant d’aborder les questions de couplage peptidique.

Ils peuvent être classés de la façon suivante:

• Hydrophobe

• Aliphatique (Gly, Ala, Val, Leu, Ile, Pro)
• Aromatique (Phe, Tyr, Trp)

• Hydrophile

• Présence de Souffre (Met, Cys)
• Présence d’un hydroxyle (Ser, Thr)
• Présence d'une fonction amide (Asn, Gln)
• Chargé acide (Asp, Glu)
• Chargé basique (Arg, Lys, His)

Utilisation des peptides en chimie médicinale

De Nombreux médicaments sont des dérivés d'acides aminés, l'usage de la chimie des chimie des aminoacides est donc incontournable. De plus, étant disponible sous forme énantiopure dans la nature, ils sont d'excellents réactifs en synthèse stéréosélective. Plus d'informations sur les peptides en drug design sont disponibles dans le département de chimie médicinale.

Réactivité

Dimérisation

Les aminoacides réagissent spontanément avec eux-même pour aboutir à la formation d’un dimère.
2 N[C@@H]([R])C(O)=O => O=C([C@H]([R])N1)N[C@@H]([R])C1=O
Cette réaction indésirable peut être évitée en stockant les produits sous forme de chlorhydrate.

Réactivité de l'amine

Schotten-Baumann

Les chlorures d'acyles réagissent avec les amines pour former des liaisons peptidiques, cependant les aminoacides N-acylés se dégradent facilement pour donner des oxazolones.
N[C@@H]([R])C(O)=O + [Ph]C(Cl)=O => PhC(NC([R])C(O)=O)=O =(-[H]O[H])=> [Ph]C1=NC([R])C(O1)=O => [Ph]C1=NC([R])=C(O1)O
La formation d'oxazolone est à éviter car le passage du carbone asymétrique par un état sp2 lui fait perdre sa géométrie et l'aminoacide obtenu se racémise.

Base de Schiff

Les aldéhydes sont également réactifs vis-à-vis des amines et conduisent à la formation de base de schiff (imines). Ici encore le carbone asymétrique passe par un état d'hybridation sp2 aboutissant à un mélange racémique. N[C@@H]([R])C(O)=O + [R]C([H])=O => [R]C=NC([R])C(O)=O => [R]CN=C([R])C(O)=O
=> [R]CN[C@H]([R])C(O)=O

Diazotation

Le sel de diazonium correspondant peut être formé en présence d'acide nitreux (Acide+NaNO2 à 0 °C) et peut ensuite être utilisé en tant que groupe partant dans une réaction de substitution nucléophile. Celle-ci se passe en deux étapes, avec tout d’abord une première substitution du diazonium par le carboxylate pour former une lactone très tendue, rouverte par le nucléophile engagé. La réaction conduit donc à une double inversion de configuration.
N[C@@H]([R])C(O)=O =(H2SO4,NaNO2,0 °C=> C(C(O)=O)[N+]#N =(Nu)=> C(C(O)=O)[Nu]

Hofmann-Löffler-Freytag

Cette réaction de transposition permet d'obtenir des aminoacides cycliques par N-alkylation de l'amine via un carbone de la chaine latérale.
N[C@@H](CCC)C(O)=O =Cl2,NaOH=> N(Cl)[C@@H](CCC)C(O)=O =(H2SO4,H2O=> N1[C@@H](CCC1)C(O)=O

Caractérisation

Le test à la ninhydrine est très efficace pour la détection rapide d'amine libre (le test ne dure que quelques secondes), en particulier dans les couplages peptidiques afin de vérifier que l'amine terminale a bien été protégée/couplée/déprotégée. En effet, en précense d'une amine libre, une solution de ninhydrine (à 1% dans l'éthanol) prends une couleur orangée très vive qui sera observée ou non en fonction de la réaction réalisée.
c1cccc2c1C(=O)C(O)(O)C2(=O) + NC([R])C(=O)O => c1cccc2c1C(=O)C(=NC([R])C(=O)O)C2(=O) => c1cccc2c1C(=O)C(N=C([R])C(=O)O)C2(=O) =+H2O-RCHO=> c1cccc2c1C(=O)C(N)C2(=O) =(ninhdrine)=> c1cccc2c1C(=O)C(N(=C3C(=O)c(cccc4)c4C3(=O)))C2(=O) => c1cccc2c1C(=O)C([N-](C3C(=O)c(cccc4)c4C3(=O)))C2(=O)

Réactivité de l'acide

Estérification

L'estérification des aminoacides peut être réalisée de multiples façons plus ou moins douces, voici quelques méthodes.

• Activation par le chlorure de thionyle
  

NC([R])C(=O)O + [R]O =ClS(=O)Cl=> NC([R])C(=O)O[R]

• Activation par des agents de couplages DCC/DMAP

NC([R])C(=O)O + [R]O =DMAP/DCC=> [R]N=C=N[R] + [R]C(=O)O => [R][N+]=C=N[R] => [R]C(=O)OC(=N[R])NR + RO => [R]C(O[R])(O)OC(=N[R])N[R] => [R]C(=O)O[R] + [R]NC(=O)N[R]

Réduction

• Aldéhyde
  

NC([R])C(=O)O + Dibal => NC([R])C=O

• Alcool
  

NC([R])C(=O)O + AlLiH4 => NC([R])CO

• Alcane
  

NC([R])C(=O)O + B(C6F5)3 + HSiEt3 => NC([R])C

Arndt-Eistert (homologation)

NC([R])C(O)=O =(SOCl2)=> NC([R])C(Cl)=O =(CN#N)=> NC([R])CC(O)=O

Réarrangement de Curtius

NC([R])C(O)=O =(SOCl2)=> NC([R])C(Cl)=O =(NN)=> NC([R])C(NN)=O =(HNO2)=> NC([R])C(NN#N)=O => NC([R])N=C=O =(H2O)=> NC([R])N

Racémisation

Le problème de la racémisation se pose du début à la fin de la synthèse d’un aminoacide énantiopur. En effet, l'hydrogène sur le carbone en a du carbonyle et de l'azote se trouve être suffisamment acide (pka nécessaire) pour être arraché par une base forte et ainsi conduire à la présence d’un équilibre céto-énolique. Naturellement, cet équilibre fait intervenir un atome de carbone hybridé sp2 à géométrie plane, de sorte que le passage de la forme énolate à la forme cétone peut se faire aussi bien par la formation d’un carbone de stéréoisomérie S que par la formation d’un carbone R. Dans un milieu suffisamment basique, cet équilibre aura donc pour conséquence la perde totale de la stéréospéficité de l'aminoacide. Ce phénomène sera a éviter à tout prix et seules les bases suffisamment faibles pourront être utilisées (comme la DIEA).
[GP]NC([R])([Hacide])C(=O)[GP] <=(base)=> [GP]Nc([R])([Hacide])c(=O)[GP] <=(base)=> [GP]NC([R])([Hacide])C(=O)[GP]

Annexe 1: Liste des aminoacides naturels

Nom	Code 3 lettres	Code 1 lettres	Formule	pKA(COOH)	pKA(NH2)	pHi
Glycine	Gly	G	NCC(O)=O	2.3	9.6	6.0
Alanine	Ala	A	NC(C)C(O)=O	2.3	9.7	6.0
Valine	Val	V	NC(C(C)C)C(O)=O	2.3	9.6	6.0
Leucine	Leu	L	NC(CC(C)(C))C(O)=O	2.4	9.6	6.0
Isoleucine	Ile	I	NC(CC(C)CC)C(O)=O	2.4	9.6	6.0
Proline	Pro	P	N1C(CCC1)C(O)=O	2.0	10.6	6.3
Phenylalanine	Phe	F	NC(C(c1ccccc1))C(O)=O	1.8	9.1	5.5
Tyrosine	Tyr	Y	NC(C(c1ccc(O)cc1))C(O)=O	2.2	9.1	5.6
Triptophane	Trp	W	NC(C(c1cNc2c1cccc2))C(O)=O	2.8	9.4	5.9
Methionine	Met	M	NC(CSC)C(O)=O	2.3	9.2	5.7
Cysteine	Cys	C	NC(CS)C(O)=O	2.0	10.3	5.1
Sérine	Ser	S	NC(CO)C(O)=O	2.2	9.2	5.7
Thréonine	Thr	T	NC(C(C)O)C(O)=O	2.1	9.1	5.6
Asparagine	Asn	N	NC(CC(=O)N)C(O)=O	2.0	8.8	5.4
Glutamine	Gln	Q	NC(CCC(=O)N)C(O)=O	2.2	9.1	5.7
Acide aspartique	Asp	D	NC(CC(=O)O)C(O)=O	1.9	9.6	2.8
Acide glutamique	Glu	E	NC(CCC(=O)O)C(O)=O	2.2	9.7	3.2
Arginine	Arg	R	NC(CCCNC(=N)N)C(O)=O	2.2	9.8	10.8
Lysine	Lys	L	NC(CCCCN)C(O)=O	2.2	9.0	9.7
Histidine	His	H	NC(Cc1cncn1)C(O)=O	1.8	9.2	7.6