Du sucre dans une comète artificielle : un exercice de chimie organique complet

Ce premier exercice du sujet de rattrapage de Polynésie 2019, noté sur 8 points et prévu pour environ 1 h 20, part d'une expérience de laboratoire : reproduire la glace d'une comète, l'irradier aux UV puis la réchauffer, et y détecter du ribose, un sucre indispensable au vivant. Le sujet balaie une grande partie de la chimie organique de Terminale S : groupes caractéristiques, carbone asymétrique, stéréoisomérie, nomenclature, spectroscopies IR et RMN, mécanisme réactionnel et cinétique.

Partie 1 : la molécule de ribose

La question 1.1 demande d'entourer les groupes caractéristiques : un groupe carbonyle en bout de chaîne, donc une fonction aldéhyde, et quatre groupes hydroxyle, donc une fonction alcool. Le piège classique consiste à confondre le nom du groupe et celui de la fonction. En 1.2, on repère trois atomes de carbone asymétriques : le carbone de l'aldéhyde n'a que trois voisins et celui du groupe CH2OH porte deux hydrogènes identiques. La question 1.3 fait comparer deux représentations : images l'une de l'autre dans un miroir et non superposables, ce sont des énantiomères. Il faut écrire explicitement « non superposables », sans quoi la justification est incomplète. Enfin, la solubilité du ribose dans l'eau s'explique par sa polarité et par les nombreuses liaisons hydrogène qu'il établit grâce à ses groupes hydroxyle.

Partie 2 : de la comète à la synthèse

La question 2.1 est une question d'analyse de documents : il faut relier trois idées, à savoir que le ribose n'avait jamais été détecté dans les météorites, qu'il se forme dans des conditions cométaires et qu'il est une brique du vivant. Viennent ensuite deux questions de nomenclature : le formaldéhyde est le méthanal, et le nom 2,3-dihydroxypropanal se justifie par une chaîne de trois carbones, un aldéhyde sur le carbone 1 et deux groupes hydroxyle sur les carbones 2 et 3. La question 2.4 est la plus riche : les réactif et produit de l'étape étudiée possèdent les mêmes liaisons, donc des spectres IR très proches, alors que leurs spectres RMN diffèrent par le nombre de signaux et leur multiplicité. Le corrigé détaille chaque signal, en rappelant que les hydrogènes des groupes OH ne comptent pas comme voisins. La partie se termine sur les flèches courbes du mécanisme : le site donneur est le carbone chargé négativement, le site accepteur le carbone δ+ du groupe carbonyle.

Partie 3 : cinétique et température

Après la définition du temps de demi-réaction, la question 3.2 contient le piège principal de l'exercice : le formaldéhyde n'est pas entièrement consommé. L'état final se lit sur la courbe à 200 °C, il reste environ 25 mmol, et la demi-réaction correspond à 138 mmol environ, et non à 125 mmol. On lit alors un temps de demi-réaction d'environ 3,4 min à 125 °C. La question 3.3 confirme, courbes à l'appui, que ce temps diminue quand la température augmente.

Conseils pour réussir

Soignez le vocabulaire (groupe et fonction, énantiomère et diastéréoisomère), justifiez chaque multiplicité en RMN et lisez toujours l'état final avant de chercher un temps de demi-réaction. Certaines notions de cet exercice, comme le carbone asymétrique ou la RMN, ne figurent plus au programme actuel : le corrigé le signale, ce qui permet de cibler votre travail.