La tyrosine

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Synthétiser des molécules et fabriquer de nouveaux matériaux
Type : Sujet complet | Année : 2016 | Académie : Antilles, Guyane


Antilles, Guyane • Septembre 2016

Exercice 2 • 9 points • 1 h 30

La tyrosine

Les thèmes clés

Représentation spatiale des molécules (chiralité et stéréoisomérie)

Transformation en chimie organique (aspects macroscopique/microscopique)

Stratégie de synthèse (calcul d’un rendement)

Contrôle de qualité par dosage par étalonnage (spectrophotométrie)

 

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© Solgar

Flacon de L-Tyrosine 500 mg

Les protéines, assemblage tridimensionnel d’acides aminés, sont omniprésentes dans notre organisme. Elles assurent une multitude de fonctions biologiques. La synthèse de ces macromolécules est réalisée « in vivo » (dans l’organisme) mais aussi « in vitro » (au laboratoire). Dans le corps humain, vingt acides aminés différents participent à l’élaboration des protéines. Parmi eux, on trouve la tyrosine.

La tyrosine est présente dans de nombreux aliments (amande, avocat, banane, graine de citrouille, fève de Lima, etc.).

Elle peut être consommée en compléments alimentaires sous forme de gélules (photo ci-contre) pour lutter contre le stress et l’anxiété.

La formule topologique de la tyrosine, de masse molaire 181,0 g · mol–1, est donnée ci-dessous :

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1. étude de la molécule de tyrosine 15 min

1 Recopier la formule de la molécule de tyrosine. Entourer les groupes caractéristiques présents. Justifier la famille de composés à laquelle elle appartient. (0,75 point)

2 La L-tyrosine est un stéréoisomère de la tyrosine. Justifier que la molécule de tyrosine possède des stéréoisomères. (0,25 point)

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3 En utilisant la formule simplifiée de la tyrosine représentée ci-contre, donner en représentation de Cram les stéréoisomères de la tyrosine. (0,5 point)

2. étude de la première étape de la synthèse 
de la L-tyrosine au laboratoire  35 min

L’équation de la réaction de la première étape de la synthèse de la L-tyrosine est la suivante :

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On réalise cette première étape au laboratoire en faisant réagir 10,0 mL d’aniline avec un excès de chlorure d’éthanoyle. La masse d’acétanilide obtenue est alors de 11,2 g.

Données

Données physico-chimiques :

Espèce chimique

Masse molaire (g · mol–1)

Température

d’ébullition (°C)

Température

de fusion (°C)

Aniline

93,0

184

– 6

Chlorure d’éthanoyle

78,5

51

– 112

Acétanilide

135,0

304

114

Masse volumique de l’aniline : ρ = 1,02 g · mL–1.

Électronégativité de quelques éléments :

Élément chimique

N

H

C

O

CI

Électronégativité

3,0

2,2

2,6

3,4

3,2

Table des données IR :

Liaison

σ (cm–1)

Intensité

O–H alcool libre

3 580-3 670

Forte ; large

N–H amine primaire (R–NH2)

3 100-3 500

2 bandes moyennes ; fines

N–H amide

3 100-3 500

Moyenne ; fine

C=O ester

1 700-1 740

Forte ; fine

C=O acide

1 680-1 710

Forte ; fine

C=O amide

1 650-1 700

Forte ; fine

N–H amine primaire

1 610-1 630

Forte ; fine

1 Aspect macroscopique de la première étape de la synthèse

1. Indiquer la catégorie de la réaction correspondant à la première étape de la synthèse de la L-tyrosine. (0,25 point)

2. À partir de l’état physique des espèces mises en jeu dans la réaction, proposer une méthode expérimentale pour récupérer l’acétanilide du milieu réactionnel. (0,5 point)

3. À l’issue de la première étape, on réalise les spectres IR de l’aniline et du produit obtenu (représentés ci-après). Montrer que l’aniline a bien été transformée intégralement en acétanilide. (1 point)

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Spectre IR de l’aniline

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Spectre IR du produit obtenu à l’issue de la première étape

4. Montrer que le rendement de cette première étape, noté r, est de l’ordre de 75 %. Proposer une explication expérimentale pour rendre compte d’une valeur de rendement inférieure à 100 %. (1 point)

2 Aspect microscopique de la 1re étape de la synthèse

1. Sur la 1re étape du mécanisme réactionnel de la synthèse proposé sur le document réponse 1, ci-dessous, repérer en les entourant le site donneur et le site accepteur de doublets d’électrons qui interviennent dans cette étape. (0,25 point)

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Document réponse 1 – Première étape du mécanisme de la synthèse de la tyrosine

2. Compléter cette étape par des flèches courbes. Qu’indiquent ces flèches ? (0,5 point)

3. contrôle de qualité d’une gélule 
de L-tyrosine 25 min

L’étiquette mentionne des gélules de L-tyrosine contenant 500 mg de principe actif. On désire vérifier cette information par un dosage spectrophotométrique.

Protocole expérimental suivi

Dissoudre totalement une gélule de L-tyrosine dans un volume de 2,00 L d’eau. La solution obtenue est notée S.

Préparer une solution aqueuse de L-tyrosine de concentration c0 = 2,5 × 10–3 mol · L–1 à partir d’un flacon de produit pur du laboratoire. Cette solution est notée S0.

À partir de la solution mère S0, préparer quatre solutions filles dont les concentrations sont fournies dans le tableau suivant :

Solution fille

S1

S2

S3

S4

c (mol · L–1)

5,0 × 10–4

1,0 × 10–3

1,5 × 10–3

2,0 × 10–3

Mesurer l’absorbance de chaque solution et tracer le graphe A = f(c).

Mesurer l’absorbance de la solution S.

Résultats expérimentaux

La courbe d’étalonnage obtenue est représentée sur le document réponse 2, ci-dessous.

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Document réponse 2 – Courbe d’étalonnage de l’absorbance A en fonction des concentrations molaires des solutions de L-tyrosine

La mesure de l’absorbance de la solution S est A = 1.

Donnée

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Spectre d’absorption UV visible d’une solution aqueuse de L-tyrosine à pH = 7

Aucune absorbance n’est observée dans un autre domaine de longueur d’onde.

1 Quels réglages faut-il effectuer sur le spectrophotomètre pour réaliser le contrôle qualité ? (0,5 point)

2 Déterminer le volume de solution mère à prélever pour préparer 100,0 mL de solution S1. Nommer la verrerie utilisée pour préparer cette solution. (0,75 point)

3 La teneur en L-tyrosine de la gélule est-elle conforme à l’indication de l’étiquette du médicament ? (1,25 point)

Tout élément de la démarche sera valorisé même si celle-ci n’aboutit pas.

4. de la tyrosine à une protéine 15 min

La tyrosine (TYR) entre dans la composition de protéines appartenant à la famille des endorphines.

Ces composés sont sécrétés, par exemple, lors d’activités physiques intenses. Ils possèdent des capacités à éliminer la sensation de douleur et à procurer une sensation de bien-être.

Une première liaison peptidique est créée par réaction de condensation entre la tyrosine et un autre acide aminé, la glycine (GLY) afin de former dans un premier temps un dipeptide TYR-GLY suivant l’équation générale :

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1 Sans aucune précaution particulière prise lors de cette synthèse, combien de dipeptides différents peut-on obtenir à partir de la tyrosine et de la glycine ? Utiliser une notation du type TYR-GLY pour rédiger votre argumentation. (0,5 point)

2 La stratégie adoptée pour la synthèse peptidique utilise la protection et la déprotection de fonctions. Proposer, en quelques phrases, une stratégie qui permette de synthétiser uniquement le dipeptide TYR-GLY. (1 point)

Les clés du sujet

Partie 1

2 L’énoncé indique que la molécule possède des stéréoisomères. Pour justifier leur existence, vous devez chercher l’éventuelle présence d’un atome de carbone asymétrique.

3 Placez l’atome de carbone asymétrique au centre de la représentation de Cram et utilisez un miroir plan pour construire le deuxième énantiomère.

Partie 2

1 1. Vous pouvez surligner les parties des molécules qui diffèrent avant et après réaction.

3. Identifiez les liaisons qui diffèrent entre l’aniline et l’acétanilide. Recherchez, dans les deux spectres, les bandes d’absorption correspondant à ces liaisons.

4. Le chlorure d’éthanoyle a été introduit en excès, donc l’aniline est le réactif limitant.

2 1. Un site donneur de doublets d’électrons est un site riche en électrons. Un site accepteur est un site pauvre en électrons : identifiez-le grâce aux électronégativités, il est engagé dans des liaisons polarisées et est porteur d’une charge partielle négative.

2. Identifiez les liaisons formées et rompues au cours de la première étape du mécanisme, puis représentez les flèches courbes permettant d’en rendre compte.

Partie 3

1 Pour faire des mesures d’absorbance le plus précisément possible, pensez qu’il faut régler le spectrophotomètre à la longueur d’onde pour laquelle l’absorbance de la L-tyrosine est maximale.

2 Identifiez bien la solution mère et la solution fille à considérer pour cette dilution.

3 Il s’agit d’une résolution de problème : présentez votre raisonnement en plusieurs étapes. L’objectif à atteindre est de déterminer la masse de L-tyrosine présente dans la gélule analysée.

Déterminez la concentration molaire en L-tyrosine de la solution S à partir de la courbe d’étalonnage donnée en annexe.

Déduisez-en la masse de L-tyrosine présente dans 2,00 L de solution S soit dans une gélule, puis concluez.

Partie 4

1 Pour former une liaison peptidique, il faut faire réagir un groupe carboxyle d’un acide aminé avec un groupe amino d’un autre acide aminé.

2 Pour identifier les groupes à protéger, vous devez comparer la structure du dipeptide souhaité avec la structure des deux acides aminés utilisés. Déduisez-en quelles sont les fonctions à protéger et quelles sont les fonctions à faire réagir ensemble.

Corrigé

Corrigé

1. étude de la molécule de tyrosine

1 Identifier des groupes caractéristiques et justifier la famille à laquelle appartient la tyrosine

D’après la représentation topologique ci-dessous, la molécule de tyrosine possède trois groupes caractéristiques :

le groupe carboxyle caractéristique de la famille des acides carboxyliques ;

le groupe amino, positionné en α du groupe carboxyle, caractéristique de la famille des amines ;

le groupe hydroxyle.

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Cette molécule organique comporte un groupe amino et un groupe carboxyle sur le carbone α. Cela permet de confirmer que la tyrosine appartient bien à la famille des acides α-aminés.

2 Justifier qu’une molécule possède des stéréoisomères

Attention !

Un atome de carbone est dit asymétrique s’il est lié à quatre atomes ou groupes d’atomes différents. Il est noté C*. Une molécule possédant un seul atome de carbone asymétrique existe sous deux formes d’énantiomères.

La molécule de tyrosine possède un seul et unique atome de carbone asymétrique (noté C*). Ainsi, cette molécule présente deux stéréoisomères appelés énantiomères.

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3 Représenter les stéréoisomères de la tyrosine

Les deux énantiomères de la tyrosine peuvent être obtenus ainsi :

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Remarque

Il est aussi possible de permuter deux groupes d’atomes positionnés en avant et en arrière du plan :

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2. étude de la première étape de la synthèse 
de la L-tyrosine au laboratoire

1 1. Identifier une catégorie de réaction en chimie organique

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Notez bien !

Les trois catégories de réaction en chimie organique à connaître sont : élimination, addition et substitution.

Lors de la réaction de la première étape de la synthèse de la L-tyrosine, un atome d’hydrogène du groupe amino de l’aniline (entouré en rouge) est remplacé par le groupe d’atomes H3C–C=O du chlorure d’éthanoyle (entouré en bleu).

Il s’agit donc d’une réaction de substitution.

2. Proposer une méthode expérimentale pour isoler une espèce chimique du milieu réactionnel

À température ambiante de 25 °C, l’aniline et le chlorure d’éthanoyle se trouvent à l’état liquide, car, pour chacun d’entre eux, on a : Tf < 25 °C < Téb.

D’autre part, concernant l’acétanilide, on a : 25 °C < Tf. Ainsi, l’acétanilide se trouve à l’état solide. Pour isoler l’acétanilide solide du milieu réactionnel liquide, on propose d’utiliser un dispositif de filtration comme la filtration Büchner.

3. Exploiter des spectres IR pour justifier la disparition et la formation d’une espèce chimique

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Spectre IR de l’aniline

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Spectre IR du produit obtenu à l’issue de la première étape

Le spectre IR du produit obtenu à l’issue de la première étape présente :

une bande d’absorption fine et d’intensité moyenne vers 3 300 cm–1 associée à la liaison N–H d’un amide ;

une bande d’absorption fine et de forte intensité vers 1 670 cm–1 associée à la liaison C=O d’un amide.

D’autre part, ce spectre ne présente pas :

une bande d’absorption fine et d’intensité moyenne vers 3 400 cm–1 ;

une bande d’absorption fine et de forte intensité vers 1 600 cm–1.

Ces deux bandes sont associées à la liaison N–H d’une amine primaire.

Cette comparaison des spectres permet de confirmer la transformation d’un groupe amino en un groupe amide (voir représentation ci-dessous). L’aniline a donc bien été transformée en acétanilide.

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4. Calculer le rendement d’une réaction

Attention !

Dans la relation n = ρ × VM si ρ est en g · mL–1 alors vous devez garder le volume V exprimé en mL.

Commençons par calculer la quantité de matière initiale en aniline :

On a ni(aniline) = m(aniline)M(aniline)

De plus, on a ρ(aniline) = m(aniline)V(aniline) d’où m(aniline) = ρ(aniline) × V(aniline).

Ainsi, on obtient :

ni(aniline) = ρ(aniline)×V(aniline)M(aniline)

ni(aniline) = 1,02 × 10,093,0 = 1,10 × 10–1 mol.

D’après l’énoncé, le chlorure d’éthanoyle est introduit en excès, par conséquent, l’aniline est le réactif limitant. Ainsi, si la réaction est totale, alors, à l’état final, l’avancement maximal est :

xmax = ni(aniline) = 1,10 × 10–1 mol.

D’après l’équation de la réaction, à l’état final, on a :

nf(acétanilide) = xmax

nf(acétanilide) = 1,10 × 10–1 mol.

Par conséquent, on a :

mf(acétanilide) = nf(acétanilide) × M(acétanilide)

mf(acétanilide) = 1,10 × 10-1 × 135,0 = 14,9 g.

Rappel

Le rendement d’une réaction peut s’exprimer par : r = mexpmf ou r = nexpnf

Il s’exprime souvent en pourcentage.

D’après la définition du rendement, on a : r = mexp(acétanilide)mf(acétanilide) = 11,214,9 = 0,752 soit 75,2 %.

On confirme donc que le rendement de cette étape de synthèse est bien de l’ordre de 75 %. Pour justifier que ce rendement n’est pas égal à 100 %, on peut avancer comme argument les pertes de matière de l’acétanilide, notamment lors de la filtration évoquée à la question 1 2 de la partie 2, et lors du transvasement dans un verre de montre avant la pesée.

2 1. Repérer des sites donneur et accepteur de doublets d’électrons

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Le site donneur d’électrons est le doublet non liant de l’atome d’azote. Le site accepteur d’électrons est l’atome de carbone engagé dans deux liaisons polarisées (la liaison C=O et la liaison C–Cl). Il porte donc une charge partielle δ+.

2. Modéliser des déplacements de doublets d’électrons

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La flèche courbe n° 1 ci-dessus modélise le déplacement du doublet d’électrons du site donneur vers le site accepteur, correspondant à la formation de la liaison N–C. Ce déplacement provoque le basculement d’un doublet d’électrons de la double liaison C=O vers l’atome d’oxygène (désormais chargé O), ce qui est modélisé par la flèche n° 2. Cela permet à l’atome de carbone de respecter la règle de l’octet.

3. contrôle de qualité d’une gélule de L-tyrosine

1 Rappeler les réglages à effectuer sur le spectrophotomètre

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Spectre d’absorption UV visible d’une solution aqueuse de L-tyrosine à pH = 7

Pour régler le spectrophotomètre, il faut tout d’abord déterminer la longueur d’onde à laquelle la mesure d’absorbance devra être réalisée. Nous devons repérer graphiquement la longueur d’onde notée λmax pour laquelle l’absorbance de la L-tyrosine est maximale. Ainsi, par lecture graphique, on a : λmax = 280 nm. D’autre part, il faut « faire le blanc » c’est-à-dire étalonner l’appareil en mesurant l’absorbance du solvant (ici l’eau distillée) utilisé pour préparer les solutions.

2 Déterminer le volume de solution mère à prélever lors d’une dilution et préciser la verrerie à utiliser

Gagnez des points !

Rappelez-vous que, lors d’une dilution, la quantité de matière de soluté se conserve.

Il faut commencer par déterminer le volume V0 de solution mère S0 qu’il faut prélever pour préparer la solution S1 à la concentration souhaitée.

Solution mère S0

C0 = 2,5 × 10–3 mol · L–1 et on ne connaît pas V0.

Solution fille S1

C1 = 5,0 × 10–4 mol · L–1 et V= 100,0 mL.

Sachant que, lors d’une dilution, la quantité de matière de soluté se conserve, on a donc n0 = n1 d’où C0V0 = C1V1 d’où V0 = C1V1C0

Ainsi, V0 = 5,0 × 10× 100,02,5 × 103 = 20 mL.

Pour préparer cette solution, il faut utiliser une fiole jaugée de 100,0 mL et une pipette jaugée de 20 mL pour le prélèvement.

3 Pour savoir si la teneur en L-tyrosine de la gélule analysée est bien conforme à l’indication de l’étiquette du médicament mentionnant que les gélules contiennent 500 mg de L-tyrosine, il faut déterminer la masse de L-tyrosine présente dans la solution S préparée en dissolvant une gélule de L-tyrosine.

Déterminer la concentration molaire en L-tyrosine de la solution S préparée

Gagnez des points !

Tracer, sur le document-réponse 2, la droite d’étalonnage et faire apparaître la construction graphique permettant de déterminer CS.

On sait que l’absorbance de la solution S est égale à A = 1. Par lecture graphique (page suivante), on en déduit que la concentration molaire en L-tyrosine de la solution S est :

CS = 0,00135 mol · L–1

CS = 1,35 × 10–3 mol · L–1.

pchT_1609_04_00C_22

Déterminer la masse de tyrosine contenue dans la solution S préparée

La masse de tyrosine est donnée par :

mtyrosine = CSVSMtyrosine

mtyrosine = 1,35 × 10–3 × 2,0 × 181,0 = 4,9 × 10–1 g = 4,9 × 102 mg.

Calculer l’écart relatif

L’écart relatif sur la masse de tyrosine dans la gélule est donné par :

ER = |mthéomexp|mthéo = 500490500 = 0,02 soit 2 %

Conclure

La gélule analysée contient 490 mg de L-tyrosine. On retrouve l’indication portée sur l’étiquette de ce médicament avec un écart relatif de 2 %.

4. de la tyrosine à une protéine

1 Déterminer le nombre de dipeptides différents issus de la réaction entre deux acides aminés différents

Pour former la liaison peptidique, il faut qu’un groupe carboxyle réagisse avec un groupe amino. Or, un acide aminé possède à la fois un groupe carboxyle et un groupe amino. Ainsi, lorsqu’on fait réagir la tyrosine avec la glycine sans protection particulière, il peut y avoir formation de plusieurs peptides différents. En effet, le groupe carboxyle de la tyrosine peut réagir avec le groupe amino de la glycine pour former le dipeptide TYR-GLY. De la même façon, le groupe carboxyle de la glycine peut réagir avec le groupe amino de la tyrosine pour former le dipeptide GLY-TYR.

Les groupes amino et carboxyle de deux acides aminés identiques peuvent aussi réagir ensemble : cela conduit à la formation des dipeptides TYR-TYR et GLY-GLY. Le nombre de dipeptides envisagés est donc égal à quatre : TYR-TYR, GLY-GLY, TYR-GLY et GLY-TYR.

2 Proposer une stratégie de synthèse pour obtenir un dipeptide souhaité

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Si l’on souhaite synthétiser uniquement le dipeptide TYR-GLY, il faut former la liaison peptidique en faisant réagir sélectivement, la fonction acide carboxylique de la tyrosine avec la fonction amine de la glycine.

Cela implique qu’il faut préalablement protéger la fonction amine de la tyrosine et la fonction acide carboxylique de la glycine en les faisant réagir avec des réactifs adaptés. Ainsi, ces deux groupes fonctionnels ne pourront pas réagir. C’est l’étape de la protection.

Ensuite, on fait réagir les deux groupes fonctionnels non protégés de la glycine et de la tyrosine : c’est l’étape de la réaction. Il y a alors formation de la liaison peptidique souhaitée.

Enfin, il faut déprotéger les groupes fonctionnels préalablement protégés. C’est l’étape de la déprotection. On obtiendra ainsi le dipeptide souhaité TYR-GLY.