À la recherche des molécules de la vie : un exercice de chimie organique complet

Avec 8 points et une durée conseillée d'environ 1 h 20, cet exercice est le plus lourd du sujet du bac S 2014 en Asie. Il suit le fil des origines de la vie : l'expérience de Miller, les acides aminés, leur identification par spectroscopie, la chiralité, puis la synthèse d'un dipeptide. C'est une révision très complète de la chimie organique de l'ancien programme.

Partie 1 : l'expérience de Miller et les premières molécules

Il faut d'abord relier l'expérience au bon scénario du document 1 : celui d'une formation des molécules organiques sur Terre, à partir de l'atmosphère primitive et de l'eau, avec des décharges électriques pour simuler les éclairs. Les réactifs, méthane, ammoniac, dihydrogène et eau, apportent les éléments C, H, O et N du vivant. Le nom d'acide aminé se justifie par la présence du groupe carboxyle et du groupe amino. Pour l'urée, le décompte des doublets non liants donne 2 doublets sur l'oxygène et 1 sur chaque azote, soit 4 au total. Le formaldéhyde, lui, se nomme méthanal.

Partie 2 : distinguer la leucine de l'isoleucine

La formule topologique de la leucine compte 6 atomes de carbone : on ne fait pas apparaître les H portés par les carbones, mais on écrit ceux des groupes OH et NH₂. Les deux molécules ont la même formule brute, C₆H₁₃NO₂, avec un enchaînement différent : ce sont des isomères de constitution.

La question 2.2 demande de trier trois techniques. La spectroscopie de masse ne distingue pas deux isomères de même masse, et l'infrarouge montre les mêmes groupes caractéristiques : seule la RMN convient. La question 2.3 est le cœur de l'exercice. Deux arguments suffisent : le spectre présente 4 signaux, comme la leucine, alors que l'isoleucine en donnerait 5 ; le doublet de 6 H à 0,9 ppm correspond aux deux groupes CH₃ équivalents de la leucine. Les autres signaux confirment avec la règle des n + 1 pics. Attention : après l'ajout d'eau lourde, les H du groupe NH₂ ne donnent ni signal ni couplage.

Partie 3 : synthèse dans l'espace et chiralité

Le froid interstellaire est défavorable, car la température est un facteur cinétique, tandis que les grains de carbone et de silicate jouent le rôle de catalyseur. On définit ensuite une molécule chirale et un mélange racémique, puis on les illustre avec la leucine, dont le carbone portant NH₂ est le seul carbone asymétrique. Les deux énantiomères se dessinent en représentation de Cram, de part et d'autre d'un miroir.

Partie 4 : la synthèse peptidique

À partir de leucine et d'isoleucine, on peut obtenir a priori 4 dipeptides : Leu-Leu, Leu-Ile, Ile-Leu et Ile-Ile. Leu-Ile et Ile-Leu sont bien deux molécules différentes. Pour n'obtenir que Leu-Ile, on protège le groupe NH₂ de la leucine et le groupe COOH de l'isoleucine. Enfin, une protéine de 50 acides aminés demande environ 147 étapes de protection, réaction et déprotection : la synthèse est longue, coûteuse et son rendement global très faible.

Conseils pour réussir

Comptez systématiquement les atomes et les groupes de protons équivalents avant de conclure. Notez que la RMN et la chiralité ne figurent plus au programme actuel de spécialité, alors que la spectroscopie infrarouge, les formules topologiques et l'isomérie restent des notions utiles à travailler.