L'alanine en infrarouge : de la molécule au ressort

Le premier exercice du Bac S 2016 Polynésie, noté sur 7 points, part d'un acide aminé, l'alanine, et se termine par un modèle mécanique de la liaison chimique. La première partie mobilise la chimie organique classique : nomenclature, stéréoisomérie, catégorie de réaction, rendement et lecture de spectres. La seconde montre pourquoi une liaison absorbe le rayonnement infrarouge à un nombre d'onde caractéristique, en assimilant la liaison à un ressort. Comptez environ 1 h 10.

Les passages clés, question par question

Nom et stéréoisomères (1.1)

Le nom acide 2-aminopropanoïque se justifie en trois temps : une chaîne de trois carbones, un groupe carboxyle dont le carbone porte le numéro 1, un groupe amino sur le carbone 2. Ce carbone porte quatre groupes différents (H, CH₃, NH₂, COOH) : il est asymétrique, la molécule est chirale et ses deux stéréoisomères sont des énantiomères. Le corrigé fournit les deux représentations de Cram, de part et d'autre d'un miroir plan.

Synthèse et rendement (1.2)

Le brome de l'acide 2-bromopropanoïque est remplacé par le groupe NH₂ avec formation de HBr : c'est une substitution. Pour obtenir 1,0 kg d'alanine avec un rendement de 80 %, on calcule les masses molaires (89 et 153 g/mol), on utilise le fait que l'acide bromé est limitant puisque l'ammoniac est en excès, puis on divise par le rendement. Le résultat est d'environ 2,1 kg d'acide 2-bromopropanoïque.

Identifier les spectres (1.3)

Les spectres IR des composés A et B se ressemblent beaucoup. C'est la RMN qui tranche : l'alanine doit donner un doublet (le CH₃, un voisin) et un quadruplet (le CH, trois voisins). Le composé A présente justement un doublet vers 1,5 ppm et un quadruplet vers 3,8 ppm, alors que B montre deux triplets. Le spectre IR de A, avec sa bande vers 1600 cm^-1 et sa large bande entre 2500 et 3300 cm^-1, confirme ce choix.

Le ressort et la liaison (2.1 et 2.2)

Trois courbes d'oscillations permettent de comparer les périodes : à masse égale, la période diminue quand la raideur augmente ; à raideur égale, elle augmente avec la masse. L'analyse dimensionnelle montre ensuite que le nombre d'onde est l'inverse d'une longueur, exprimé ici en cm^-1. Avec la masse réduite de la liaison C–H, environ 1,54 × 10^-24 g, on obtient un nombre d'onde de 3,0 × 10³ cm^-1, dans l'intervalle 2850 - 3020 cm^-1 de la table. Enfin, à masse réduite égale, la liaison double C=O absorbe plus haut que C–O car sa constante de force est plus grande.

Les pièges à éviter

Oublier que le carbone du groupe COOH fait partie de la chaîne conduit à un mauvais nom. Multiplier par le rendement au lieu de diviser donne une masse trop faible : un rendement inférieur à 1 impose de prévoir davantage de réactif. Conclure avec les seuls spectres IR est risqué. Dans le calcul du nombre d'onde, convertir en unités SI une partie seulement des données fausse le résultat : la relation est prévue pour des grammes et des cm/s.

Nos conseils pour réussir

Pour comparer l'influence d'un paramètre, choisissez deux expériences qui ne diffèrent que par lui. Appliquez la règle des (n+1)-uplets en prévoyant le spectre avant de le lire. Soignez les chiffres significatifs : la constante de force n'en a que deux. Notez enfin que la représentation de Cram, l'oscillateur élastique et la RMN du proton ne figurent plus au programme actuel de spécialité, alors que l'exploitation d'un spectre IR reste exigible.