Séparer deux énantiomères grâce à une enzyme

Le deuxième exercice du Bac S 2015 Nouvelle-Calédonie est le plus lourd de l'épreuve : 9 points, soit environ une heure et demie. Il porte sur l'ibuprofène, commercialisé sous forme de mélange racémique, et sur une méthode de séparation de ses deux énantiomères par estérification sélective catalysée par une enzyme, la CRL7. L'exercice mêle stéréochimie, chimie organique et analyse de résultats expérimentaux. Les notions de chiralité et d'excès énantiomérique relevaient du programme de Terminale S et ne figurent plus dans le programme actuel de spécialité.

Énantiomères et excès énantiomérique (partie 1)

Les deux molécules possèdent un seul carbone asymétrique, lié à quatre groupes différents ; elles sont images l'une de l'autre dans un miroir plan et non superposables, donc énantiomères. L'excès énantiomérique se calcule avec la formule fournie : il vaut 0 % pour le mélange racémique et 100 % pour un énantiomère pur, quel qu'il soit, grâce à la valeur absolue. À la question 1.4, on cite par exemple la distillation fractionnée et l'extraction liquide-liquide, puis on explique qu'elles échouent parce que deux énantiomères ont les mêmes propriétés physiques usuelles.

L'estérification enzymatique (partie 2)

Le (S)-ibuprofène porte un seul groupe caractéristique, le groupe carboxyle : c'est un acide carboxylique. Le piège est d'entourer séparément C=O et O-H. Lors de l'estérification, la chaîne carbonée reste intacte, seul le groupe caractéristique change. L'enzyme n'apparaît pas dans l'équation car c'est un catalyseur, régénéré en fin de réaction ; sa sélectivité pour le (S) rend la séparation possible.

Le calcul central est celui de la question 2.4. Le mélange initial contient 0,050 mmol de chaque énantiomère ; après 12 h, le (R) est intact et il reste 0,012 mmol de (S). On obtient ee = 61 %. L'erreur fréquente consiste à prendre 0,100 mmol pour le (R), alors qu'il s'agit de la quantité totale. On en déduit ensuite que 0,038 mmol de (S)-ibuprofène est récupérable par hydrolyse de l'ester, et qu'une réaction totale donnerait ee = 100 %.

Exploiter les séries de mesures (partie 3)

Il faut d'abord nommer l'isoamylol du sujet : d'après la formule dessinée, c'est le 3-méthylbutan-2-ol, et l'isooctane est le 2,2,4-triméthylpentane. Chaque série de mesures teste une hypothèse sur un seul paramètre : solvant, alcool, ratio molaire, température. Avec le 2-méthylbutan-2-ol, alcool tertiaire, ee reste nul : cette classe semble à exclure, et l'on conforterait ce résultat en testant d'autres alcools tertiaires. Les conditions les plus favorables sont l'isooctane, le 2-éthylhexan-1-ol, un ratio de 10 et une température de 50 °C. Attention : les courbes passent par un maximum, plus n'est donc pas toujours mieux.

Le volume d'alcool à prélever

La dernière question enchaîne quantité de matière, masse molaire et masse volumique : 1,00 mmol d'alcool de masse molaire 130 g/mol et de masse volumique 0,832 g/mL donne un volume de 0,156 mL, soit 156 µL. Oublier de convertir les millimoles conduit à un résultat mille fois trop grand.

Conseils

Lisez attentivement les documents, justifiez chaque affirmation par une donnée chiffrée et soignez les conversions. Le corrigé détaillé reprend chaque raisonnement pas à pas, avec les figures utiles.