Amide : définition et propriétés

La fonction amide, ce que recouvre le groupe caractéristique

Un amide se reconnaît à un groupe caractéristique unique, un carbone de carbonyle porteur d'un atome d'azote. Sa formule générale s'écrit R-CO-NR'R'', où les substituants portés par l'azote peuvent être des atomes d'hydrogène ou des chaînes carbonées. Cette famille appartient aux composés organiques à fonction dérivée d'acide, au même titre que l'ester, le chlorure d'acyle et l'anhydride.

La fonction dérive formellement d'un acide carboxylique dont le groupe hydroxyle est remplacé par un groupe aminé. Ce lien de parenté est utile pour la nomenclature et pour comprendre la réaction de formation, mais il ne dit rien de la réactivité réelle. Parmi les dérivés d'acide, l'amide est de loin le moins réactif, et c'est précisément cette inertie qui le rend intéressant pour construire des matériaux et des molécules destinés à durer.

L'explication tient à la délocalisation du doublet non liant de l'azote vers le carbonyle. Cette délocalisation raccourcit la liaison carbone-azote d'environ 10 % par rapport à une liaison simple, allonge la liaison carbone-oxygène et impose au groupe une géométrie plane. Elle a deux conséquences directes et mesurables. L'azote perd sa basicité, au point qu'un amide ne se protone pratiquement pas en milieu aqueux, alors qu'une amine comparable est une base franche. La rotation autour de la liaison carbone-azote devient difficile, avec une barrière énergétique de l'ordre de 15 à 20 kcal par mole, soit près de 10 fois celle d'une liaison simple équivalente, ce qui fige la conformation et explique la rigidité des chaînes protéiques.

Amides primaires, secondaires et tertiaires, et la manière de les nommer

La classification repose sur le nombre de chaînes carbonées portées par l'azote, et non sur celles portées par le carbone du carbonyle. C'est une source d'erreur fréquente, la même règle appliquée aux alcools portant sur le carbone fonctionnel.

• Les amides primaires portent deux atomes d'hydrogène sur l'azote. Ils forment deux liaisons hydrogène par molécule et sont les plus solides et les moins solubles dans les solvants organiques de la série.
• Les amides secondaires, qui portent un hydrogène et une chaîne carbonée, correspondent au cas de la liaison peptidique. Ce sont les plus répandus dans le vivant comme dans les polymères techniques.
• Les amides tertiaires, dont l'azote porte deux chaînes carbonées, n'ont plus d'hydrogène disponible. Privés de liaison hydrogène entre eux, ils fondent plus bas et deviennent d'excellents solvants polaires aprotiques, le diméthylformamide en étant l'exemple le plus employé.

La nomenclature systématique remplace le suffixe -oïque de l'acide par -amide, en conservant le même squelette carboné. L'acide éthanoïque donne l'éthanamide, l'acide propanoïque le propanamide. Quand l'azote porte des chaînes carbonées, on les indique en tête du nom précédées de la lettre N, ce qui donne la N,N-diméthylméthanamide pour le diméthylformamide. Les substituants substitués sur l'azote se distinguent ainsi de ceux de la chaîne principale, dont la position se repère par un chiffre. Cette convention de structure est reprise pour les macromolécules dans nomenclature, classification et formules chimiques des polymères.

Des propriétés physiques dominées par la liaison hydrogène

Les propriétés physiques des amides s'écartent nettement de celles des autres familles de masse molaire comparable. L'éthanamide fond à 82 °C et bout à 221 °C, quand l'éthylamine, de masse voisine, bout à 17 °C. L'écart dépasse 200 °C et ne s'explique par aucune différence de masse. Il vient du réseau de liaisons hydrogène que forment le doublet de l'oxygène et l'hydrogène porté par l'azote, réseau qu'il faut rompre pour passer à l'état gazeux.

Ce réseau explique aussi la solubilité dans l'eau des premiers termes de la série, qui décroît rapidement dès que la chaîne carbonée s'allonge. Il commande enfin la tenue mécanique des polyamides, où les chaînes se lient entre elles par ces mêmes interactions, ce que détaille polyamides PA. La contrepartie est connue de tout plasturgiste, ces mêmes sites captent l'humidité de l'air. Un polyamide 6-6 peut ainsi reprendre près de 3 % de sa masse en eau à saturation, la pièce gonfle et ses caractéristiques mécaniques évoluent, phénomène étudié dans action de l'eau sur les plastiques.

La stabilité chimique complète ce tableau. Un amide résiste à l'hydrolyse dans des conditions où un ester est déjà largement dégradé, et il faut un acide fort à chaud, une base concentrée ou une enzyme spécialisée pour couper la liaison. Cette résistance rend les protéines et les polyamides utilisables sur des durées longues, et elle est mise à profit en pharmacie, où la fonction amide protège un principe actif d'une dégradation trop rapide dans l'organisme.

Former une liaison amide, les voies utilisées en synthèse

La réaction directe entre un acide carboxylique et une amine ne donne à froid qu'un sel d'ammonium. Il faut chauffer fortement pour éliminer l'eau et obtenir l'amide, ce qui exclut cette voie dès que la molécule porte des fonctions fragiles. La synthèse passe donc le plus souvent par une activation préalable de l'acide.

• Le passage par le chlorure d'acyle, très réactif, qui réagit avec l'amine à température ambiante. Le procédé est simple mais libère du chlorure d'hydrogène et impose de neutraliser le milieu.
• L'aminolyse d'un ester, plus lente mais plus douce, employée quand le substrat ne supporte pas les conditions acides.
• Les agents de couplage, carbodiimides et dérivés du phosphore, qui activent l'acide in situ. Ce sont eux qui rendent possible la synthèse peptidique sur support solide, où des centaines de liaisons se forment l'une après l'autre sans toucher aux fonctions latérales.
• La carbonylation catalytique, qui construit la fonction à partir du monoxyde de carbone, d'une amine et d'un substrat halogéné. Cette famille industrielle est exposée dans carbonylations.
• Les réactions multicomposants, qui assemblent en une seule opération plusieurs partenaires autour d'un isonitrile. Leur intérêt en chimie durable est traité dans isonitriles et réactions multicomposants.

La polycondensation applique ces principes à l'échelle de la macromolécule. Un diacide et une diamine réagissent alternativement et construisent une chaîne où le motif amide se répète, le procédé industriel de référence étant décrit dans polyamide 6-6. La fonction sert aussi à greffer des chaînes sur une surface, technique employée pour modifier le comportement de nano-objets, comme le montre atténuation de la toxicité des nanotubes de carbone par fonctionnalisation chimique, ou pour construire des architectures ramifiées, présentées dans polymères dendrimères et hyperbranchés.

La liaison peptidique et les emplois industriels

La liaison peptidique est un amide secondaire formé entre la fonction acide d'un acide aminé et la fonction amine du suivant. Les acides aminés s'enchaînent ainsi par dizaines ou par milliers et constituent les protéines. La planéité imposée par la délocalisation limite les conformations accessibles à la chaîne, ce qui rend la structure tridimensionnelle prévisible et reproductible. Sans cette contrainte, aucune enzyme n'aurait de site actif stable.

Cette architecture se caractérise par des méthodes qui exploitent l'environnement de l'azote et du carbonyle. La résonance magnétique nucléaire donne accès aux distances entre atomes voisins, méthode exposée dans structure des protéines par RMN, tandis que l'approche globale par spectrométrie de masse et séparation est décrite dans analyse des protéines ou protéomique. Les séparations fines, indispensables dès que la molécule possède un centre asymétrique, relèvent de séparations chirales par CPL, CPS et CPG, et les principes de la voie gazeuse sont rappelés dans chromatographie en phase gazeuse, principes généraux et instrumentation.

Côté matériaux, les polyamides occupent la première place des thermoplastiques techniques, en pièces mécaniques sollicitées, en connectique et en fibre textile. Le kevlar pousse le principe à son terme, ses chaînes aromatiques rigides s'alignant et se liant par un réseau de liaisons hydrogène si dense que la fibre atteint environ 5 fois la résistance à la traction de l'acier à masse égale. En chimie organique appliquée à la santé, la fonction est présente dans un très grand nombre de principes actifs, du paracétamol aux pénicillines, où elle porte la reconnaissance par la cible autant que la stabilité de la molécule.