L'isoprène, le butyle et le nitrile sont tous des types de substances ?
Rubber
Le squelette de l'isoprène peut être trouvé dans des composés naturels appelés terpènes (également appelés isoprénoïdes), mais ces composés ne proviennent pas de l'isoprène lui-même. Les terpènes peuvent être considérés comme des multiples de sous-unités de l'isoprène, et cette perspective est la pierre angulaire de la « règle de l'isoprène ». Le précurseur des unités isoprène dans les systèmes biologiques est le pyrophosphate de diméthylallyle (DMAPP) et son isomère pyrophosphate d'isopentényle (IPP). Le pluriel « isoprènes » est parfois utilisé pour désigner les terpènes en général. Les chaînes d'isoprène se trouvent couramment dans de nombreux oligomères biologiquement actifs tels que la vitamine A. De même, le caoutchouc naturel est composé de chaînes de polyisoprène linéaires de poids moléculaire très élevé et d'autres molécules naturelles. Heinz-Hermann Greve "Rubber, 2. Natural" dans l'Encyclopédie d'Ullmann de Chimie industrielle, 2000, Wiley-VCH, Weinheim.
L'isoprène, ou 2-méthyl-1,3-butadiène, est un composé organique courant de formule CH2C(CH3)-CH
CH2. Sous sa forme pure, c'est un liquide volatil incolore. L'isoprène est produit par de nombreuses plantes.

Événements naturels

L'isoprène est produit et émis par de nombreuses espèces d'arbres (les principaux producteurs sont les chênes, les peupliers, l'eucalyptus et certaines légumineuses). La production annuelle d'isoprène émise par la végétation est d'environ 600 millions de tonnes, la moitié provenant d'arbres feuillus tropicaux et le reste provenant principalement d'arbustes. Cela équivaut à peu près aux émissions de méthane et représente environ un tiers de tous les hydrocarbures rejetés dans l’atmosphère.

Plantes

L'isoprène est fabriqué par la voie du méthyl-érythritol 4-phosphate (voie MEP, également appelée voie non mévalonate) dans les chloroplastes des plantes. L'un des deux produits finaux de la voie MEP, le diméthylallyl pyrophosphate (DMAPP), est catalysé par l'enzyme isoprène synthase pour former de l'isoprène. Par conséquent, les inhibiteurs qui bloquent la voie MEP, comme la fosmidomycine, bloquent également la formation d’isoprène. L'émission d'isoprène augmente considérablement avec la température et atteint son maximum à environ 40 °C. Cela a conduit à l'hypothèse selon laquelle l'isoprène pourrait protéger les plantes contre le stress thermique (hypothèse de thermotolérance, voir ci-dessous). L'émission d'isoprène est également observée chez certaines bactéries et on pense que cela provient de dégradations non enzymatiques du DMAPP.

Régulation

L'émission d'isoprène dans les plantes est contrôlée à la fois par la disponibilité du substrat (DMAPP) et par l'activité enzymatique (isoprène synthase). En particulier, les dépendances à la lumière, au CO2 et à l'O2 de l'émission d'isoprène sont contrôlées par la disponibilité du substrat, tandis que la dépendance à la température de l'émission d'isoprène est régulée à la fois par le niveau de substrat et l'activité enzymatique.

Autres organismes

L'isoprène est l'hydrocarbure le plus abondant mesurable dans l'haleine humaine. Le taux de production estimé d'isoprène dans le corps humain est de 0,15 µmol/(kg·h), ce qui équivaut à environ 17 mg/jour pour une personne pesant 70 kg. L'isoprène est courant en faibles concentrations dans de nombreux aliments.

Rôles biologiques

L'émission d'isoprène semble être un mécanisme utilisé par les arbres pour lutter contre les stress abiotiques. Il a été démontré en particulier que l'isoprène protège contre un stress thermique modéré (~40 °C). Il peut également protéger les plantes contre les grandes fluctuations de température des feuilles. L'isoprène est incorporé et aide à stabiliser les membranes cellulaires en réponse au stress thermique.

L'isoprène confère également une résistance aux espèces réactives de l'oxygène. La quantité d'isoprène libérée par la végétation émettrice d'isoprène dépend de la masse des feuilles, de la surface des feuilles, de la lumière (en particulier la densité de flux de photons photosynthétiques, ou PPFD) et de la température des feuilles. Ainsi, pendant la nuit, peu d'isoprène est émis par les feuilles des arbres, alors que les émissions diurnes devraient être importantes lors des journées chaudes et ensoleillées, jusqu'à 25 μg/(g de poids de feuilles sèches)/heure chez de nombreuses espèces de chênes.

Les isoprènes sont utilisés dans la monocouche de la membrane cellulaire de nombreuses archées, remplissant l'espace entre les groupes de tête tétraéther du diglycérol. On pense que cela ajoute une résistance structurelle aux environnements difficiles dans lesquels se trouvent de nombreuses archées.

Isoprénoïdes

Le squelette de l'isoprène peut être trouvé dans des composés naturels appelés terpènes (également appelés isoprénoïdes), mais ces composés ne proviennent pas de l'isoprène lui-même. Les terpènes peuvent être considérés comme des multiples de sous-unités de l'isoprène, et cette perspective est la pierre angulaire de la « règle de l'isoprène ». Le précurseur des unités isoprène dans les systèmes biologiques est le pyrophosphate de diméthylallyle (DMAPP) et son isomère pyrophosphate d'isopentényle (IPP). Le pluriel « isoprènes » est parfois utilisé pour désigner les terpènes en général. Les chaînes d'isoprène se trouvent couramment dans de nombreux oligomères biologiquement actifs tels que la vitamine A. De même, le caoutchouc naturel est composé de chaînes de polyisoprène linéaires de poids moléculaire très élevé et d'autres molécules naturelles. Heinz-Hermann Greve "Rubber, 2. Natural" dans l'Encyclopédie d'Ullmann de Chimie industrielle, 2000, Wiley-VCH, Weinheim.

Impact sur les aérosols

Après libération, l'isoprène est converti par les radicaux libres (comme le radical hydroxyle) et dans une moindre mesure par l'ozone en diverses espèces, telles que les aldéhydes, les hydroperoxydes, les nitrates organiques et les époxydes, qui se mélangent aux gouttelettes d'eau et contribuent à créer des aérosols et de la brume.

Bien que la plupart des experts reconnaissent que les émissions d’isoprène affectent la formation d’aérosols, la question de savoir si l’isoprène augmente ou diminue la formation d’aérosols est débattue. Un deuxième effet majeur de l’isoprène sur l’atmosphère est qu’en présence d’oxydes d’azote (NOx), il contribue à la formation d’ozone troposphérique (basse atmosphère), qui est l’un des principaux polluants atmosphériques dans de nombreux pays. L'isoprène lui-même n'est normalement pas considéré comme un polluant, car il s'agit d'un produit végétal naturel. La formation d'ozone troposphérique n'est possible qu'en présence de niveaux élevés de NOx, qui proviennent presque exclusivement des activités industrielles. L'isoprène peut avoir l'effet inverse et éteindre la formation d'ozone sous de faibles niveaux de NOx.

Production industrielle

L'isoprène a été isolé pour la première fois par décomposition thermique du caoutchouc naturel. Il est le plus facilement disponible industriellement comme sous-produit du craquage thermique du naphta ou du pétrole, comme produit secondaire dans la production d'éthylène. Environ 800 000 tonnes sont produites chaque année. Environ 95 % de la production d'isoprène est utilisée pour produire du cis-1,4-polyisoprène, une version synthétique du caoutchouc naturel.

Le caoutchouc naturel est principalement constitué de poly-cis-isoprène d'un poids moléculaire de 100 000 à 1 000 000. Le caoutchouc naturel contient généralement quelques pour cent d’autres matériaux, tels que des protéines, des acides gras, des résines et des matériaux inorganiques. Certaines sources de caoutchouc naturel, appelées gutta percha, sont composées de trans-1,4-polyisoprène, un isomère structurel qui possède des propriétés similaires, mais pas identiques.

Motif structurel

L'isoprène est un motif structurel courant dans les systèmes biologiques. Les isoprénoïdes (par exemple les carotènes sont des tétraterpènes) sont dérivés de l'isoprène. Le phytol, le rétinol (vitamine A), le tocophérol (vitamine E), les dolichols et le squalène sont également dérivés de l'isoprène. L'hème A a une queue isoprénoïde et le lanostérol, le précurseur du stérol chez les animaux, est dérivé du squalène et donc de l'isoprène. Les unités isoprène fonctionnelles dans les systèmes biologiques sont le pyrophosphate de diméthylallyle (DMAPP) et son isomère pyrophosphate d'isopentényle (IPP), qui sont utilisés dans la biosynthèse d'isoprénoïdes naturels tels que les caroténoïdes, les quinones, les dérivés du lanostérol (par exemple les stéroïdes) et les chaînes prényles de certains composés (par exemple, chaîne phytol de la chlorophylle).