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Texte intégral

(1)Introduction. .\1 X. Chapitre 4. De la réaction chimique organique à la réaction enzymatique 1. INTRODUCTION ET ASPECTS BIOLOGIQUES. 1. Vitesse et spécificité des réactions enzymatiques. .. 2. Réactions chimiques organiques élémentaires mises en jeu dans les diverses étapes des réactions enzymatiques .......... 3. Il. NOTIONS DE CHIMIE A. Le déroulement de la réaction: cinétique et mécanismes réactionnels. 1. La réaction chimique organique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. Types fondamentaux de réactions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Nature des réactions et des réactifs. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. 7 7 9. 1.3. Étude de la réaction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12. 2. Cinétique chimique 2.1. Vitesse d'une réaction 2.2. Ordre d'une réaction. Molécularité d'une étape 2.3. Expression des concentrations des réactifs en fonction du temps. Détermination expérimentale de l'ordre d'une réaction. . . . . . . . . . . . . . 2.3.1. Réactions d'ordre zéro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2. Réactions du premier ordre........................ 2.3.3. Réactions du deuxième ordre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12 J2 14 19 19 21 23. 3. Étude de quelques mécanismes réactionnels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Substitution nucléophile bimoléculaire SN2 ......... 3.2. Substitution nucléophile monomo/éculaire SN 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Addition électrophile 3.4. Substitution nucléophile sur un carbonyle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28 28 31 33 35. 4. Influence de la température sur la constante de vitesse d'une réaction. Théories cinétiques .............. .......... 40. Contenu protégé par copyright.

(2) 4.1. Théorie des collisions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41. 4.2. Théorie de l'état de transition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45. 5. Catalyse d'une réaction. Catalyse acide ou basique spécifique ou générale. 49. B. Les principales fonctions et leur réactivité. 1. Alcanes............................................................. 1. J. Nomenclature ,...................................... 1.2. Propriétés et réactions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58 59 60. 2. Alcools, composés halogénés, éthers, thiols et sulfures, phénols, amines. Substitutions nucléophiles et éliminations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 62. 2.1. Alcools......................................................... 2.1.1. Nomenclature............................................. 2.1.2. Propriétés et réactions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . 2.1.2.1. Oxydation............................................... 2.1.2.2. Rupture de la liaison Q-H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2.3. Réactions nucléophiles de l'oxygène. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Substitution nucléophiJe sur un carbone saturé. Forma· tion d'éthers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2. Addition nucléophile sur un carbonyle. Formation d'acé· taIs....................................... 69 3. Substitution nucléophile sur un carbonyle. Formation d'esters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4. Substitution nucléophile sur le phosphore d'un groupe 73 phosphoryJe. Formation de phosphates. . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2.4. Rupture de la liaison C-O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Réactions de substitution nucléophile 76 2. Réactions de déshydratation. Contrôle thermodynamique 78 3. Réarrangements.................................... 80. 62 62 64 64 67 68. 2.2. Composés halogénés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Nomenclature............................................. 2.2.2. Propriétés et réactions 2.2.2.1. Basicité et nucléophilie 2.2.2.2. Substitutions Ilucléophiles et éliminations bimoléculaires SN2 et E2 1. SN2. Ordre de nucléophilie. Effet du groupe partant. Effet stérique. SN2 intramoléculaire. . . . . . . . . . . . . . . . . 88 2. E2. Stéréochimie. Compétition SN2·E2 ....... 89 2.2.2.3. Substitutions nucléophiles et éliminations monomoléculaires SNI et El............................................... 1. SN 1. Postulat de Hammond 92 2. El. Règle de Saytzeff ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95. 83 83 83 84. 2.3. Éthers - oxydes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1. Nomenclature............................................. 2.3.2. Propriétés et réactions.................................... . 2.3.2.1. Peroxydation 2.3.2.2. Coupure de la liaison C-O.. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . .. 97 97 97 98 98. 2.4. Thiols et thioéthers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 2.4.1. Nomenclature. 100 100. Contenu protégé par copyright. 76. 86. 92.

(3) 2.4.2. Propriétés et réactions 2.4.2.1. Thiols 1. Acidité............................................. 2. Nucléophilie....................................... 3. Oxydation......................................... 2.4.2.2. Thioéthers. Sels de sulfonium. 100 100 101 101 102 104. 2.5. Phénols......................................................... 2.5.1. Nomenclature :............................. 2.5.2. Propriétés et réactions 2.5.2.1. Oxydation............................................... 2.5.2.2. Acidité.................................................. 2.5.2.3. Réactions nuc/éophiles de l'oxygène. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.2.4. Réactions de substitution électrophile sur le noyau aromatique 2.6. Amines......................................................... 2.6. J. Nomenclature............................................. 2.6.2. Propriétés et réactions 2.6.2.1. Basicité des fonctions amine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.2.2. Réactions nuc/éophi/es de l'azote.......................... 1. Alkylation: formation d'ammonium quaternaire. . . . . . 112 2. Addition nucléophile des amines primaires sur les aldé hydes et les cétones: formation d'imines 114 3. Acylation et sulfonylation : formation d'amides et de sulfonamides 116 2.6.2.3. Autres réactions 1. Nitrosation........................................ 119 2. Réactions de substitution électrophile sur les amines aromatiques 121. 105 105 106 106 107 107 108 109 109 110. 3. Composés éthyléniques. Additions électrophiles . . . . . . . .. . 3.1. Nomenclature.................................................... 122 122. III. 112. 119. 3.2. Propriétés et réactions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 3.2.1. Hydrogénation catalytique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 3.2.2. Réactions d'addition électrophile . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 126 3.2.2.1. Addition des acides et de l'eau, orientation, règle de Markovni kof!, contrôle cinétique. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 127 1. Addition des acides forts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 2. Hydratation en milieu acide 128 3. Orientation de la réaction d'addition électrophile . . . . . . 130 4. Substitution électrophile sur les composés aromatiques 133 3.2.2.2. Addition des halogènes ,........... . ........ 133 3.2.2.3. Stéréospécificité de l'hydratation enzymatique de l'acide fuma rique catalysée par la fumarase 137 3.2.3. Époxydation, hydroxylation 139 3.2.3.1. Époxydation............................................. 139 3.2.3.2. Hydroxylation anti par ouverture des époxydes " ... 140 3.2.3.3. Hydroxylation syn directe. . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.1 3.2.4. Coupures oxydantes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 3.2.4.1. Coupure par le permanganate et le periodate 143 3.2.4.2. Ozonolyse............................................... 144 4. Aldéhydes et cétones. Additions nucléophiles sur un carbonyle, aldolisation. Contenu protégé par copyright. 145.

(4) 4.1. Nomenclature................................................... 4.2. Propriétés et réactions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 4.2.1. Réactions d'addition nucléophile 4.2.1.1. Addilion de l'acide cyanhydrique.......................... 4.2.1.2. Addilion de l'eau el des alcools. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 1. Formation d'hydrate 150 2. Formation d'hémiacétal et d'acétal, catalyses acide et basique........................................... 151 3. Hémiacélals du glucose. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 4.2.1.3. Condensalion avec les amines primaires el les composés apparenlés 4.2.2. Réduction en alcools....................................... 4.2.2.1. Hydrogénalion calalylique 4.2.2.2. Réduclion par les hydrures mélalliques ,.. 4.2.2.3. Réaclion de Cannizzaro, Iransferl d'hydrure. . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2.4. Sléréospécificilé de la réduclion enzymalique calalysée par l'alcool-déshydrogénase................................... 4.2.3. Réactions faisant intervenir une liaison CH en Cl du carbonyle 4.2.3.1. Énolisalion.............................................. 4.2.3.2. Aldolisalion ,......................... 4.2.4. Oxydation. 5. Acides carboxyliques, esters, amides, chlorures et anydrides d'acides, nitriles. Réactions de substitution sur un carbonyle, réaction de Claisen, réactions de décarboxylation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 145 146 148 148 150. 159 162 162 162 163 165 168 168. 170 174. 175. 5.1. Nomenclature.................................................... 175. 5.2. Propriétés et réactions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1. Ionisation des acides carboxyliques 5.2.2. Réactions de substitution nucléophile sur le carbonyle........ 5.2.2.1. Formalion d'eslers el d'amides à parlir de RCOY 1. Estérification des acides carbox yliques . . . . . . . . . . . . . . . 184 2. Transestérification 185 3. Formation d'esters, de thioesters et d'amides à partir des chlorures et anhydrides d'acides. Synthèse peptidique in vilro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 5.2.2.2. Hydrolyse des dérivés d'acides carboxyliques. . . . . . . . . . . . . . . 1. Hydrolyse des esters. Hydrolyse acide et saponification. Catalyse acide ou basique générale, catalyse par les ions métalliques, catalyse nucléophile 193 2. Hydrolyse des amides et nitriles, acide et basique 197 5.2.3. Réduction des acides carboxyliques et dérivés 5.2.3.1. Réduclion des eslers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3.2. Réduclion des acides carboxyliques , . .. . 5.2.3.3. Réduclion des amides. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 5.2.3.4. Réduclion des nitriles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.4. Réactions faisant intervenir une liaison CH en Cl du carbonyle. Réaction de Claisen 5.2.5. Décarboxylation des acides carboxyliques 5.2.5.1. Acides Ç3-cétoniques _ ,. 179 181 181 184. Contenu protégé par copyright. 193. 201 201 202 202 203 203 205 206.

(5) 5.2.5.2. Acides ~-haJogénés ,................... .... .. .. ... .. 5.2.5.3. Acides ex-cétoniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. 207 208. 6. Récapitulation des principaux types de réactions 6.1. Classification des fonctions organiques selon leur état d'oxydation. . . 6.2. Réactions nucléophiles et électrophile~ .......... 6.2.1. Substitutions nucléophiles sur un carbone saturé et éliminations 6.2.2. Additions électrophiles sur une double liaison ::::C = C:::::. . . . . . .. 211 211 213 213 214. 6.2.3. Addition nucléophile sur un carbonyle::::C = 0 Y. 215. 1. 6.2.4. Substitution nucléophile sur un carbonyle - C = 0 . . . . . . . . . . . .. 216. III. DÉVELOPPEMENTS BIOCHIMIQUES. 1. Cinétique enzymatique .......... 1.1. Cinétique de Henri-Michaelis-Menten 1.1.1. Effet de la concentration initiale de substrat sur la vitesse de réaction 1.1.2. Effet de la concentration d'enzyme sur la vitesse maximale de la réaction ,........................................ 1.2. De la catalyse en chimie organique à la catalyse enzymatique 1.2.1. Catalyse acide..................... 1.2.2. Catalyse basique 1.2.3. Catalyse nucléophile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.4. Catalyse enzymatique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 218 218. 2. Réactions enzymatiques et réactions organiques apparentées. . . . . . . . . . . . . 2.1. Hydrolyse d'acétals : mécanismes d'action du lysozyme et des ex-amylases , ,. . , 2.1.1. Mécanisme d'action du lysozyme 2.1.2. Mécanisme d'action des ex-amylases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Énolisation : mécanisme d'action de la triose-phosphate isomérase .. , 2.3. Aldolisation et rétroaldolisation ,,.... .......... 2.3.1. Mécanisme d'action de la fructose-I ,6-diphosphate aldolase ... 2.3.2. Mécanisme d'action de la transaldolase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Hydrolyse d'amides. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1. Mécanisme d'action de l'cx-chymotrypsine 2.4.2. Mécanisme d'action de la carboxypeptidase A , 2.5. Décarboxylation de l3-cétoacides : mécanisme d'action de J'acéto acétate décarboxylase ,...................................... 234. 2.6. Condensation de thioesters par une réaction de type Claisen et autres réactions intervenant dans la biosynthèse des acides gras saturés. . . . 2.7. Réactions catalysées par le coenzyme pyrophosphate de thiamine.. . . 2.7.1. Décarboxylation d'ex-cétoacides : mécanisme d'action de la pyruvate décarboxylase. Complexe pyruvate déshydrogénase. .. Contenu protégé par copyright. 218 221 222 222 225 227 228. 234 234 236 236 239 239 242 244 244 248 252 253 256 257.

(6) 2.7.2. Condensation de type benzoïnique : mécanisme d'action de la transcétolase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 260. 2.8. Réactions catalysées par le coenzyme phosphate de pyridoxal . . . . . . . 2.8.1. Décarboxylation d'a-aminoacides : mécanisme d'action de la glutamate décarboxylase 2.8.2. Transamination entre un a-aminoacide et un a-cétoacide : méca nisme d'action de l'aspartate aminotransférase .. . . . . . . . . . . . . . 2.8.3. Déshydratation désaminante de la sérine ,. .. . . . . . 2.8.4. Désaldolisation de la sérine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 265 267 268. Unités du système (SI) et principales unités dérivées. . . . . .. .. . . . . .. . . . . . . .. 269. Valeurs de quelques constantes physiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 270. Énergies de liaison. 271. pK. de couples acido-basiques à 298 K. ,........................ 261 264. 272. Potentiels standards d'électrodes à 298 K..................... 276. Potentiels standard de couples redox d'importance biologique. . . . . . . . . . . . . .. 277. Formules de molécules d'importance biologique. . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 278. Éléments de bibliographie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 286. Index. 287. Contenu protégé par copyright.

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