Chapitre 1 : Introduction et pré-requis

1. Faire parler la structure

1. Faire parler la structure

Qu'est-ce que la chimie analytique ?

• Branche de la chimie qui s'intéresse à la détermination et au dosage de composés

• Analyses qualitatives : caractérisation

• Analyses quantitatives : dosage

• Rôle vital dans de nombreux domaines de l'industrie et de la recherche

Que permet de déterminer la structure d'une molécule ?

• Sa solubilité dans un milieu physiologique

• Son caractère acide ou basique pour son ionisation et sa solubilité dans l'eau

• Son passage au travers des membranes cellulaires

• Sa solubilité en fonction du pH

Quel est l'exemple donné pour illustrer l'importance de la structure d'une molécule ?

CYSDOPA, un biomarqueur du mélanome

Quels sont les groupements fonctionnels présents dans CYSDOPA et leurs caractéristiques ?

• Acide carboxylique : s'ionise à un pH basique en donnant un proton

• 2 phénols : caractère légèrement acide par opposition à l'alcool (caractère neutre)

• Amine : caractère basique, protoné à pH acide

Quelles sont les propriétés principales de CYSDOPA ?

• Amphotère : possède un groupement acide et un groupement basique

• Hydrophile : soluble grâce à la formation de ponts H via les groupements NH2 et OH

• Ionisable : pour les groupements NH2, COOH et phénols (le pH influence l'ionisation)

• Instable : à cause de la présence des deux phénols

Pourquoi est-il important de considérer le caractère acide ou basique d'une molécule ?

• Influence l'état d'ionisation en fonction de l'environnement et du pH

• Impacte la solubilité : plus la molécule est ionisée, plus elle est soluble dans l'eau

• Impacte l'interaction avec la cible

• Influence la perméabilité au travers de la membrane

• Influence la biodisponibilité

• Influence le développement des méthodes d'analyse

2. Equilibre acide-base

2. Equilibre acide-base

2.1. pH, pKa et ionisation

2.1. pH, pKa et ionisation

Pourquoi est-il important de considérer le caractère acide ou basique d'une molécule ?

• Influence l'état d'ionisation en fonction de l'environnement et du pH

• Impacte la solubilité : plus la molécule est ionisée, plus elle est soluble dans l'eau

• Impacte l'interaction avec la cible

• Influence la perméabilité au travers de la membrane

• Influence la biodisponibilité

• Influence le développement des méthodes d'analyse

Comment sont définis un acide et une base selon Bronsted-Lowry ?

• Acide : donneur de protons

• Base : accepteur de protons

Que provoque un acide et une base dans l'eau ?

• Acide : augmente la concentration en H₃O+ et diminue celle en OH-

• Base : augmente la concentration en OH- et diminue celle en H₃O+

Comment se comporte une fonction acide en fonction du pH par rapport à son pKa ?

• pH > pKa + 2 : 99 % sous forme basique ionisée (A-)

  → S’ionise à pH basique

• pH < pKa - 2 : 99 % sous forme acide non ionisée (HA)

Comment se comporte une fonction basique en fonction du pH par rapport à son pKa ?

• pH < pKa - 2 : 99 % sous forme ionisée acide (BH+)

• pH > pKa + 2 : 99 % sous forme non ionisée basique (B)

2.2. pKa des acides aminés

2.2. pKa des acides aminés

Quel est le comportement acido-basique des acides aminés ?

• Possèdent une fonction acide carboxylique et une fonction basique amine

• Comportement amphotère

Que se passe-t-il pour les acides aminés en solution ou à l'état solide ?

• Transfert de proton de l'acide vers l'amine

• Formation d'une entité neutre appelée Zwitterion

• Sous forme zwitterionique : complètement ionisés mais charge globale neutre

• Solubles mais ne migrent pas sur gel d'électrophorèse

De quoi dépend le pKa réel d'une fonction sur un acide aminé ?

De la nature de la chaîne latérale sur laquelle la fonction est fixée

Que sont les pKr dans le contexte des acides aminés ?

• Fonctions acido-basiques présentes sur certaines chaînes latérales

• Possibilité de charger négativement par COOH (donneur de proton)

• Possibilité de charger positivement par amine (accepteur de proton)

Qu'est-ce que le point isoélectrique d'un acide aminé ?

• Valeur de pH pour laquelle l'acide aminé est globalement neutre

• Molécule ionisée mais résultante des charges neutre

3. Lipophilie et hydrophilie

3. Lipophilie et hydrophilie

3.1. Lipophilie

3.1. Lipophilie

Qu'est-ce que la lipophilie ?

• Tendance d’un composé à se répartir dans la matrice lipidique plutôt que dans la matrice aqueuse

• Une molécule lipophile est soluble dans des solvants organiques

• Une molécule lipophile a tendance à se stocker dans le tissu adipeux

Pourquoi est-il important qu’une molécule ait un équilibre entre propriétés hydrophiles et lipophiles ?

• Pour permettre l’absorption à travers la peau

• Pour permettre l’absorption à travers les muqueuses gastro-intestinales

Quels paramètres influencent la lipophilie ?

• Polarité : orientation de la molécule dans le solvant et interactions électrostatiques soluté-solvant

• Capacité de former des liaisons hydrogènes

• Configuration 3D : la solubilité d’une protéine varie selon sa structure tertiaire

• Exemples : protéines sanguines avec AA hydrophobes à l’intérieur et AA hydrophiles à l’extérieur pour circuler dans le sang

3.2. LogP

3.2. LogP

Qu'est-ce que le LogP ?

• Mesure de la solubilité différentielle de composés chimiques entre l’octanol et l’eau

• Coefficient de partage octanol/ eau

• Permet d’appréhender le caractère hydrophile ou lipophile d'une molécule

Que signifie un LogP positif et très élevé ?

• La molécule est beaucoup plus soluble dans l’octanol que dans l’eau

• La molécule est donc lipophile

Que signifie un LogP bas voire négatif ?

La molécule est hydrophile

4. La solubilité

4. La solubilité

Qu’est-ce que la solubilité ?

Quantité maximale de substances pouvant être dissoute dans un solvant donné

De quoi dépend la solubilité ?

• Des propriétés physico-chimiques de la molécule

• De la nature du milieu dans lequel elle se trouve

  • Le pH

  • Le solvant

  • La température

Quels facteurs augmentent la solubilité d'une molécule ?

• Plus la molécule est hydrophile, plus elle est soluble

• Plus la molécule est chargée, plus elle est soluble dans l’eau

Comment la structure 3D influence-t-elle la solubilité ?

• Influence les interactions intramoléculaires de la forme non dissociée

• Influence les interactions avec le solvant

• Influence les possibilités de liaisons hydrogènes favorables à la solubilité aqueuse

Comment la position des groupements OH influence-t-elle la solubilité ?

• Position ortho (o) : groupements OH proches, formation de ponts H intramoléculaires, moins d’interactions avec l’eau ➔ SOLUBILITÉ INTERMÉDIAIRE

• Position méta (m) : groupements OH éloignés, peu d’interactions intramoléculaires, beaucoup avec l’eau ➔ SOLUBILITÉ TRÈS ÉLEVÉE

• Position para (p) : molécule plane, se dispose en feuillets avec les liaisons intramoléculaires ce qui rend la molécule rigide, peu d’interactions avec l’eau ➔ SOLUBILITÉ TRÈS FAIBLE

5. Procédure analytique

5. Procédure analytique

Quelle est la première étape de toute procédure analytique ?

• Regarder la problématique dans son ensemble

• Traduire le problème général en une mesure chimique

Quelles sont les étapes d'une procédure analytique ?

1. La question : traduire le problème général en mesure chimique

• La sélection : choisir une approche analytique adaptée en fonction de la question posée, de l'appareillage disponible, du budget, de la sensibilité, de l'exactitude, et de ses compétences

• L’échantillonnage : prélever une fraction représentative, assurer l’homogénéité, réaliser des mesures en triplicata minimum

• La préparation de l’échantillon : éliminer les interférences, mettre la molécule en solution, ajuster la concentration à la limite de détection

• La mesure : assurer la qualité de la mesure, éliminer les incertitudes par des mesures répétées

• La rédaction du rapport : présenter correctement calculs, résultats, moyennes, écart-types, et interpréter

6. Exercices

6. Exercices

Quelles sont les principales caractéristiques du cholestérol en chimie analytique ?

• Très hydrophobe

• Pas du tout ionisable à cause de la présence d’un groupe alcool

• Molécule non soluble dans l’eau

Pourquoi le cholestérol est-il difficile à analyser ?

• Il se colle sur toutes les surfaces plastiques

• Il n’absorbe pas dans l’ultraviolet

• Il s’accroche aux tipps (pipettes)

Quelles sont les principales caractéristiques de la doxorubicine ?

• Hydrophiles grâce aux groupements OH et NH2, et à une fonction ressemblant à un sucre

• Soluble dans l’eau malgré la présence de ses cycles carbonique

Quel est le comportement de la doxorubicine par rapport aux surfaces ?

• Possède une face hydrophile et une face hydrophobe

• Peut donc intéragir avec des surfaces hydrophiles et des surfaces hydrophobes

• Peut donc être analysés de deux façons différentes

Quels sont les groupements ionisables de la doxorubicine ?

• Ionisable via les deux phénols

• Ionisable via son groupement NH2

• Non ionisable via ses groupements alcool

Quelle autre propriété importante présente la doxorubicine ?

• Facilement oxydable à cause de la présence de ses deux phénols