L'acide pantothénique : un exercice de chimie organique complet

L'exercice 2 du Bac S Amérique du Sud 2019 est le plus lourd du sujet : 9 points, soit environ 1 h 30. Il porte sur l'acide pantothénique, la vitamine B5, et balaie une grande partie de la chimie organique de terminale S : groupes caractéristiques, stéréochimie, spectroscopies, mécanisme réactionnel, acide-base et quantité de matière. Il se compose de trois parties largement indépendantes.

Partie 1 : la structure de la molécule

Questions 1.1 et 1.2 : groupes caractéristiques

Le qualificatif d'acide vient du groupe carboxyle -COOH, qui réunit C=O et O-H sur le même atome de carbone. La molécule est polyfonctionnelle car elle porte aussi deux groupes hydroxyle et un groupe amide. Piège classique : prendre l'azote lié à C=O pour une amine, alors que l'ensemble -CO-NH- forme un seul groupe amide.

Questions 1.3 et 1.4 : carbone asymétrique et énantiomère

Un seul atome de carbone est asymétrique, celui du groupe CH(OH), lié à quatre substituants différents. L'atome qui porte les deux groupes méthyle a bien quatre voisins, mais deux sont identiques. Pour l'énantiomère, la molécule B présente un enchaînement d'atomes différent : c'est un isomère de constitution. La molécule A a le même enchaînement et correspond à l'image de la molécule dans un miroir : c'est l'énantiomère.

Questions 1.5 et 1.6 : le spectre RMN

La règle des (n+1)-uplets attribue les deux triplets aux deux groupes CH₂ de l'enchaînement -NH-CH₂-CH₂-COOH. Les protons de OH et de NH ne couplent pas : les compter conduirait à annoncer un quadruplet à tort. Les deux groupes méthyle, portés par le même atome de carbone sans hydrogène, donnent un seul singulet intégrant pour 6 H.

Partie 2 : la synthèse de l'acide pantothénique

Questions 2.1 à 2.3 : groupes réactifs et catégorie de réaction

En repérant la liaison C-N créée dans le produit, on identifie le groupe carboxyle de l'acide pantoïque et le groupe amine de la β-alanine. Comme les deux réactifs sont polyfonctionnels, plusieurs réactions sont en concurrence et la synthèse n'est pas sélective. La première étape, où deux réactifs donnent un seul produit et où la double liaison C=O devient simple, est une addition.

Question 2.4 : le mécanisme

Les électronégativités montrent que l'atome de carbone du groupe carboxyle porte une charge partielle positive : c'est le site accepteur. Le site donneur est l'atome d'azote, qui possède un doublet non liant. Deux flèches courbes sont attendues : du doublet de N vers C, puis d'un doublet de la liaison C=O vers O. Une flèche part toujours d'un doublet, jamais d'un atome.

Questions 2.5 à 2.7 : acide-base

Avec les pK_A de 2,3 et 9,7, le diagramme de prédominance place C₃H₈NO₂⁺, puis C₃H₇NO₂, puis C₃H₆NO₂^-. L'ion carboxylate s'obtient donc pour un pH supérieur à 9,7. L'ajout d'acide chlorhydrique provoque une réaction acide-base entre l'ion pantothénate et l'ion oxonium ; l'ion chlorure est spectateur.

Partie 3 : un comprimé de Bépanthène

Questions 3.1 et 3.2 : spectre IR et formule brute

Le spectre IR ne présente pas la bande large de la liaison O-H d'acide carboxylique entre 2500 et 3200 cm^-1 : ce n'est pas celui de l'acide pantothénique, mais il est compatible avec le dexpanthénol. La bande C=O ne permet pas de conclure, car les deux molécules ont un groupe amide. Le décompte des atomes donne la formule brute C₉H₁₇NO₅.

Question 3.3 : apport en vitamine et surdosage

Il faut passer par la quantité de matière : les 100 mg du comprimé sont du dexpanthénol, pas de l'acide. On obtient 107 mg d'acide pantothénique, environ 18 fois l'apport suffisant de 6,0 mg d'une femme enceinte. Le texte indique que la vitamine est hydrosoluble et facilement évacuée : ce surdosage ne présente pas de danger.

Conseils

Gérez votre temps : cet exercice est long mais ses parties sont indépendantes. Justifiez chaque attribution spectroscopique par une règle explicite. Carbone asymétrique et RMN ne figurent plus au programme actuel de spécialité, mais l'acide-base et les calculs de quantité de matière restent pleinement d'actualité.