Sujet d`examen 2006 (partie organique).

Examen 1ère année Phytem – Chimie organique
Mardi 23 mai 2006
Problème n°1
1. On s’intéresse à la configuration et la réactivité d’acides α-aminés, briques moléculaires
constitutives des protéines.
1.1. Donner la définition d’une molécule chirale.
1.2. Fournir deux exemples de molécule chirale dont l’une ne présente pas de centre
asymétrique.
1.3. Toute molécule chirale est dotée d’activité optique. Par quel paramètre celle-ci est-elle
caractérisée ?
2. On considère un acide α-aminé de formule générique où le groupe R appelé résidu
désigne un substituant.
O
R
HO
acide α-aminé
NH2
2.1. Pour quel groupe R cette molécule est-elle achirale ?
2.2. Donner le nom des fonctions dans cette molécule.
2.3. Indiquer pour chacune des fonctions son caractère acide ou basique.
2.4. Préciser les couples acido-basiques correspondants.
3. Lorsque R = -CH2Ph, l’acide α-aminé nommé phénylalanine présente deux constantes
d’acidobasicité : pKa1 = 1,8 et pKa2 = 9,2.
3.1. A quel couple peut-on attribuer chacun des pKa ?
3.2. Représenter les trois espèces prédominantes en solution aqueuse pour différents domaines
de pH dont on précisera les bornes.
3.3. Comment expliquer la valeur du premier pKa sachant que la fonction isolée
correspondante présente un pKa égal à 4,75. On s’aidera de la structure des espèces
définies précédemment.
1
3.4. On considère cette fois-ci la cystéine, acide α-aminé pour lequel R = -CH2SH contient
une fonction thiol définie par RSH. On associe au couple acidobasique de ce groupe
ionisable un pKa égal à 8,4.
Représenter la configuration (S) de cette molécule. On adoptera une représentation en
zigzag avec la chaîne carbonée la plus longue dans le plan de la feuille.
4. On désactive momentanément la nucléophilie de l’atome d’azote de la cystéine en
formant le carbamate 1. A l’aide du schéma réactionnel indiqué ci-dessous, préciser la
structure du produit 1 obtenu à partir de la (S)-cystéine.
O
RNH2 + (Boc)2O
NaH
CH2Cl2
RNHBoc
1
avec Boc =
O
5. Le composé 1 peut réagir avec un équivalent de 4-chloro-3-méthylbut-2-ène dans le
diméthylformamide (DMF, solvant polaire peu dissociant et aprotique), en présence de
base, le carbonate de potassium K2CO3 selon la réaction de substitution nucléophile :
1 +
Cl
1) DMF, K 2CO 3
2) H 2O
2
On obtient 2 après hydrolyse du milieu réactionnel.
On cherche ici à définir la nature du site le plus réactif, c'est-à-dire le plus nucléophile.
5.1. Préciser l’évolution de l’électronégativité pour les atomes O et S. On rappelle que Z(O) =
8 ; Z(S) = 16 où Z désigne leur numéro atomique.
5.2. Indiquer quelle fonction est la plus nucléophile entre un alcool ROH et un thiol.
5.3. Indiquer de même pour quelle fonction RCO2H ou ROH, le groupe OH est le plus
nucléophile.
5.4. En déduire dans ce cas la réactivité relative des fonctions thiols et des acides
carboxyliques ainsi que celle des bases conjuguées vis-à-vis des substitutions
nucléophiles.
5.5. Préciser la structure du produit final 2 après hydrolyse ainsi que l’équation bilan de la
réaction.
5.6. Indiquer le mécanisme de transformation du réactif 1 en 2. On justifiera le choix du
mécanisme proposé sur la base des conditions réactionnelles employées.
5.7. Lorsque l’on ajoute de l’iodure de sodium NaI en quantité catalytique au milieu
réactionnel, le temps de l’expérience diminue d’une semaine à 3 jours. Proposer une
explication.
2
5.8. Justifier le fait d’avoir protégé la fonction amine par le groupe Boc.
6. Le composé 2 réagit avec l’acide bromohydrique HBr dans l’acide acétique pour fournir
le composé 3 :
+ HBr
2
AcOH
3
6.1. Donner la structure du composé 3.
6.2. Indiquer le mécanisme de la réaction.
6.3. Obtient-on plusieurs composés ?
6.4. Si oui donner leur relation d’isomérie, leur structure et la configuration des nouveaux
centres asymétriques formés.
7. La fonction amine du composé 3 est déprotégée en milieu basique. Le composé 3 se
cyclise alors spontanément pour former 4 de formule brute C8H15NO2S.
7.1. Donner la structure du réactif après déprotection ainsi que celle du produit 4.
7.2. Préciser le mécanisme de la réaction.
7.3. La stéréochimie du produit obtenu est-elle fixée par cette réaction ?
7.4. Pourquoi cette cyclisation intramoléculaire se fait-elle si facilement ? On rappelle que les
cycles à 5 et 6 atomes sont ceux qui présentent l’énergie minimale de tension de cycle.
7.5. Préciser la conformation la plus stable du produit 4. Justifier.
Problème n°2
On s’intéresse à la réaction de déshydradation en milieu acide de l’acide malique en acide
fumarique. Cette réaction obéit à un mécanisme de type E2.
OH
O
2
CO2H
H
HO
OH
3
HO2C
O
acide malique
+
H2O
acide fumarique
Pour ce faire, on introduit deux isotopes de l’hydrogène, le deutérium et le tritium radioactif
en position 3 de l’acide malique pour former l’acide malique tritié suivant :
HO
O
HO
OH
O
D
T
acide malique tritié
3
1.
Indiquer la stéréochimie de l’atome de carbone 2 de l’acide malique.
2.
Proposer un mécanisme expliquant la formation de l’acide fumarique à partir de l’acide
malique.
3.
En déduire la configuration de l’atome de carbone 3 pour que l’acide fumarique formé à
partir de l’acide malique tritié soit radioactif. Justifier.
4.
Donner la structure de l’acide fumarique radioactif.
5.
Quelle est sa configuration ?
Données :
On rappelle que les atomes D et T contiennent deux et trois neutrons supplémentaires
respectivement par rapport à l’atome d’hydrogène.
4