Une molécule du vivant pour réviser la chimie organique

Cet exercice de 5 points du Bac S 2018 Polynésie, à traiter en 50 minutes environ, est consacré à la glutamine, un acide aminé. Il balaie une grande partie de la chimie organique de l'ancien programme : groupes caractéristiques, stéréoisomérie, couples acide-base et prédominance, mécanisme réactionnel, spectroscopie infrarouge et RMN du proton.

Partie 1 : structure et propriétés acido-basiques

Groupes caractéristiques et nomenclature

La molécule porte trois groupes : amide, carboxyle et amino, ce qui en fait une molécule polyfonctionnelle. Le piège est de prendre le NH2 lié au carbone du C=O pour une amine, alors qu'il forme un amide avec ce groupe. Le nom officiel, acide 2-amino-5-amidopentanoïque, indique par sa terminaison que le groupe prioritaire est le groupe carboxyle.

Énantiomérie

Le carbone n° 2 est lié à quatre groupes différents : c'est le seul carbone asymétrique de la molécule. La L-glutamine et la D-glutamine sont donc des énantiomères. Aucune diastéréoisomérie n'est possible, faute de double liaison C=C ou de second carbone asymétrique.

Une forme diacide et l'espèce prédominante dans le sang

La forme protonée peut céder deux ions H+ successivement, l'un par le groupe COOH, l'autre par le groupe NH3+ : c'est un diacide. Avec des pKA de 2,2 et 9,1 et un pH sanguin compris entre 7,35 et 7,45, l'espèce prédominante porte à la fois COO− et NH3+. Le corrigé conseille de tracer un diagramme de prédominance, où la réponse se lit directement. Il signale aussi deux coquilles dans les formules du sujet, à ne pas reproduire.

Partie 2 : synthèse et identification

Un autre produit possible

L'acide glutamique possède deux groupes carboxyle. Si l'ammoniac réagit sur celui qui est voisin du carbone portant NH2, on obtient un isomère de constitution de la glutamine. Dans l'organisme, l'enzyme rend la synthèse sélective.

Sites donneur et accepteur, flèches courbes

Le site donneur est l'atome d'azote de l'ammoniac, porteur d'un doublet non liant ; le site accepteur est l'atome de carbone du groupe C=O, appauvri en électrons. Deux flèches sont attendues : du doublet de N vers C, puis d'un doublet de la double liaison C=O vers O. Une flèche courbe part toujours d'un doublet, jamais d'un atome : la tracer en sens inverse fait perdre les points. Vérifier les charges du produit est un bon contrôle.

Spectre infrarouge

Trois arguments sont demandés : la bande large de la liaison O−H d'acide carboxylique, les bandes des liaisons N−H et les bandes fortes des liaisons C=O. Rappelle-toi que l'axe des nombres d'onde est gradué de droite à gauche et qu'un spectre IR montre la compatibilité, sans prouver l'identité.

RMN du proton

La glutamine présente six groupes de protons équivalents, donc six signaux : trois singulets pour les protons liés à N ou O, deux triplets et un quadruplet. Le piège est de compter les protons du NH2 parmi les voisins du CH, ou de regrouper les deux CH2, qui ne sont pas équivalents.

Conseils

Justifie chaque réponse par une règle explicite : terminaison du nom, définition d'un carbone asymétrique, comparaison pH et pKA, règle des n + 1 pics. Le corrigé détaillé fournit les figures annotées pour chaque question.