Zwitterion - Zwitterion

En chimie , un zwitterion ( / t s v ɪ t ə ˌ r aɪ ə n / TSVIT -ə-seigle-ən , de l' allemand Zwitter[ˈtsvɪtɐ] « hermaphrodite »), également appelé sel interne , est une molécule qui contient un nombre égal de groupes fonctionnels chargés positivement et négativement . Avec les acides aminés , par exemple, en solution un équilibre chimique va s'établir entre la molécule "parente" et le zwitterion.

Les bétaïnes sont des zwitterions qui ne peuvent pas s'isomériser en une forme totalement neutre, comme lorsque la charge positive est située sur un groupe ammonium quaternaire . De même, une molécule contenant un groupe phosphonium et un groupe carboxylate ne peut pas s'isomériser.

Acides aminés

Un acide aminé contient à la fois des centres acides (fragment d'acide carboxylique) et basiques (fragment d'amine). L'isomère de droite est un zwitterion.

L'équilibre s'établit en deux étapes. Dans une étape, un proton est transféré du groupe carboxyle à une molécule d'eau.

H
2N(R)CO
2H + H
2O ⇌ H
2N(R)CO−
2+ H
3O+

Dans l'autre étape, un proton est transféré de l' ion hydronium au groupe amine

H
2N(R)CO−
2+ H
3O+
⇌ H
3N+
(R)CO−
2+ H
2O

Globalement, la réaction est une réaction d' isomérisation

H
2N(R)CO
2H ⇌ H
3N+
(R)CO−
2

Le rapport des concentrations des deux espèces en solution est indépendant du pH car il est égal à la valeur de la constante d'équilibre K de la réaction d'isomérisation.

[X] signifie la concentration de l'espèce chimique X à l'équilibre. On suppose généralement que K  > 1, c'est-à-dire que le zwitterion est l'isomère d'acide aminé prédominant en solution aqueuse. Il a été suggéré, sur la base d'une analyse théorique, que le zwitterion est stabilisé en solution aqueuse par liaison hydrogène avec des molécules d'eau de solvant. L'analyse des données de diffraction des neutrons pour la glycine a montré qu'elle était sous forme zwitterionique à l'état solide et a confirmé la présence de liaisons hydrogène. Des calculs théoriques ont été utilisés pour montrer que des zwitterions peuvent également être présents dans la phase gazeuse pour certains cas différents du simple transfert acide carboxylique-amine.

Les valeurs p K a pour la déprotonation des acides aminés communs couvrent la plage approximative2,15 ± 0,2 . Ceci est également cohérent avec le fait que le zwitterion est l'isomère prédominant présent dans une solution aqueuse. A titre de comparaison, l'acide carboxylique simple acide propionique ( CH
3CH
2CO
2H ) a ap K une valeur de 4,88.

Autres composés

L'acide sulfamique cristallise sous forme de zwitterion.

Dans les cristaux d' acide anthranilique, il y a deux molécules dans la cellule unitaire . Une molécule est sous la forme zwitterion, l'autre ne l'est pas.

A l'état solide, H 4 EDTA est un zwitterion dont deux protons ont été transférés des groupes acide carboxylique aux atomes d'azote.

Études théoriques

phosphate de pyridoxal

Bien que l'équilibre, en solution, entre un composé et son isomère zwitterion ne puisse pas être étudié expérimentalement, des informations peuvent être obtenues à partir des résultats de calculs théoriques. Un bon exemple est fourni avec le phosphate de pyridoxal, une forme de vitamine B 6 . Un équilibre tautomère a été prédit pour obtenir dans une solution aqueuse de ce composé, favorisant le zwitterion dans lequel un proton est transféré du groupe phénolique -OH à l'atome d'azote.

Bétaïnes et composés similaires

Le composé triméthylglycine , qui a été isolé de la betterave à sucre , a été nommé « bétaïne ». Plus tard, d'autres composés ont été découverts qui contiennent le même motif structurel, un atome d'azote quaternaire auquel est attaché un groupe carboxylate via une liaison -CH 2 - . A l'heure actuelle, tous les composés dont la structure comprend ce motif sont appelés bétaïnes. Les bétaïnes ne s'isomérisent pas car les groupements chimiques attachés à l'atome d'azote ne sont pas labiles . Ces composés peuvent être classés comme des zwitterions permanents, car l'isomérisation en une molécule sans charges électriques ne se produit pas ou est très lente.

D'autres exemples de zwitterions permanents comprennent les phosphatidylcholines et la psilocybine , qui contiennent également un atome d'azote quaternaire, mais avec un groupe phosphate chargé négativement à la place d'un groupe carboxylate ; et des surfactants pulmonaires tels que la dipalmitoylphosphatidylcholine .

Zwitterions conjugués

Les composés conjugués fortement polarisés (zwitterions conjugués) sont généralement très réactifs, partagent un caractère diradical , activent des liaisons fortes et de petites molécules, et servent d'intermédiaires transitoires en catalyse. Les entités donneur-accepteur sont d'une grande utilité en photochimie ( transfert d'électrons photoinduit ), en électronique organique , en commutation et en détection .

Voir également

Les références