CCP Chimie PC 2016

Thème de l'épreuve Étude du radical hydroxyle. Synthèse de l'oséltamivir.
Principaux outils utilisés orbitales moléculaires, oxydoréduction, thermodynamique, cristallographie, chimie organique
Mots clefs radical, hydroxyle, oséltamivir

Corrigé

(c'est payant, sauf le début): - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

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SESSION 2016

PCCH007

!

!
!

EPREUVE SPECIFIQUE - FILIERE PC!
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
!

CHIMIE
Jeudi 5 mai : 14 h - 18 h!
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
N.B. : le candidat attachera la plus grande importance à la clarté, à la 
précision et à la concision de
la rédaction. Si un candidat est amené à repérer ce qui peut lui sembler être 
une erreur d'énoncé, il le
signalera sur sa copie et devra poursuivre sa composition en expliquant les 
raisons des initiatives
qu'il a été amené à prendre.!

!
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
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Les calculatrices sont autorisées
!
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!
Le sujet est composé de deux problèmes indépendants.
!
- Le premier problème concerne une étude autour du radical hydroxyle : détection
!
expérimentale, réactivité en milieu biologique, génération par radiolyse de 
leau, production
!
par photocatalyse.
!
Aucune connaissance particulière sur les espèces radicalaires nest nécessaire 
pour traiter ce
!
problème.
!
!
- Le deuxième problème traite de la synthèse industrielle du phosphate 
doséltamivir.
!
! Chaque problème est constitué de parties indépendantes.
! Toutes les données utiles sont disponibles à la fin de chaque problème.
!
!
!
!
!
!
!
!
!

1/18

!

PROBLÈME 1
Autour du radical hydroxyle
Présentation générale
Le radical hydroxyle, HO!, espèce transitoire de très courte durée de vie, 
constitue lune des espèces
les plus étudiées en chimie radicalaire. Ce radical libre très réactif, 
électriquement neutre, peut être
produit lors de la décomposition de peroxyde dhydrogène, HOOH, ou à partir de 
molécules deau
irradiées (document 1). On le retrouve donc dans latmosphère, dans les milieux 
aqueux soumis
aux rayonnements et même in vivo. Par ailleurs, le radical hydroxyle intervient 
dans divers procédés
comme lors de la dépollution photocatalytique deffluents aqueux.
Document 1 - Les espèces radicalaires et les processus homolytiques
Il existe deux types de rupture de liaison covalente entre deux fragments A et 
B :
- la rupture dite "hétérolytique" : les deux électrons de la liaison sont 
captés par lun des deux
fragments. Cette rupture conduit alors à la formation dions :
AB ! A+ + | B
- la rupture dite "homolytique" : les deux électrons de la liaison sont 
répartis équitablement
conduisant à deux espèces chimiques dites "radicalaires" :
AB ! A! + B!
Dans les notations A! et B!, le point « ! » représente lélectron célibataire 
porté par chaque radical.
Les espèces radicalaires peuvent être électriquement neutres ou chargées. Etant 
donné que les
liaisons chimiques ont des énergies de lordre de quelques centaines de kJ.mol1, 
les conditions
mises en jeu pour former des radicaux sont souvent drastiques : hautes 
températures, radiations
ionisantes, rayonnements ultraviolets.

Partie I. Approche théorique et détection expérimentale du radical hydroxyle
On désire construire le diagramme dénergie des orbitales moléculaires (OM) du 
radical hydroxyle,
HO!, pour expliquer sa réactivité et prédire certaines de ses propriétés 
spectroscopiques.
Q1. Écrire les configurations électroniques de latome doxygène et de latome 
dhydrogène
dans leur état fondamental. Préciser les orbitales de valence des deux atomes 
ainsi que la valeur des
nombres quantiques associés à ces orbitales.
Q2. Représenter schématiquement ces orbitales de valence. Connaissant les 
énergies des
orbitales atomiques (OA) des atomes H et O et en choisissant laxe y comme axe 
internucléaire,
préciser les OA de valence à combiner pour construire les OM du radical HO!. 
Justifier.
Q3. On trace le diagramme des OM de lentité diatomique HO! en combinant les 
orbitales de
valence des atomes H et O (document 2, page 3). Reproduire ce diagramme sur la 
copie. Identifier
la symétrie ! ou " de chacune des OM représentées sur le diagramme dénergie. 
Préciser le
caractère liant, non-liant ou antiliant de chaque OM. Placer les électrons dans 
ce diagramme.
Donner alors la configuration électronique de HO!.
2/18

Document 2 - Diagramme dorbitales moléculaires du radical HO!

Q4. Le moment dipolaire de HO! a été évalué expérimentalement à 1,66 D (D 
correspondant au
Debye, 1 D = 3,34 x 10-30 C.m). Commenter, à partir du diagramme dénergie, la 
polarité de la
liaison HO. Déduire également de ce diagramme lequel des deux atomes est 
porteur de lélectron
célibataire.
Q5. Calculer lindice (lordre) de liaison de HO!. Ce radical est-il stable 
vis-à-vis de la
dissociation des noyaux ?
Q6. Écrire la structure de Lewis de HO!. Dans le cas de ce radical, le 
formalisme de Lewis est-il
en accord avec les résultats obtenus dans le cadre de la théorie des OM ? 
Justifier.
Q7. Des calculs de chimie quantique, de type TDDFT (Time-Dependent Density 
FunctionalTheory), effectués sur le radical HO! en phase gazeuse, ont permis 
dévaluer les énergies des
transitions électroniques. Il a été montré que la transition de plus basse 
énergie (7,75 eV) permettait
dexciter un électron vers la plus basse OM non occupée (BV).
Daprès ces calculs, quelle serait la longueur donde dabsorption maximale de HO! 
en phase
gazeuse ? À laide du diagramme dénergie complété à la question Q3, identifier, 
en la justifiant,
cette transition électronique.
Q8. La détection expérimentale du radical hydroxyle est difficile en phase 
gazeuse comme en
phase condensée. Expliquer pourquoi lobservation dune espèce radicalaire est 
difficile.
En solution aqueuse, il a été démontré, par spectrophotométrie dabsorption 
ultra-rapide (résolue en
temps) que HO! possédait un maximum dabsorption à 234 nm. Dans le cas du 
radical hydroxyle,
comment expliquer le décalage spectral observé entre la phase gazeuse et la 
phase aqueuse
condensée ?

3/18

Q9. Des expériences de RPE (Résonance Paramagnétique Électronique) (document 3) 
réalisées
à très basse température ont permis la détection des radicaux HO!. Expliquer 
brièvement pourquoi
la RPE est une méthode adaptée à la détection des espèces radicalaires. 
Justifier de la nécessité de
travailler à basse température.
Document 3 - La spectroscopie RPE (Résonance Paramagnétique Électronique)
La RPE utilise la propriété que possèdent certains électrons dabsorber puis de 
réémettre lénergie
dun rayonnement électromagnétique lorsquils sont placés dans un champ 
magnétique. Cette
propriété est analogue à celle des noyaux atomiques en RMN (Résonance 
Magnétique Nucléaire).
La spectroscopie RPE, qui a été développée à partir du milieu du 20e siècle, 
constitue un puissant
moyen de détection et de caractérisation des systèmes moléculaires 
paramagnétiques tels que les
sels et les complexes de métaux de transition. Les informations fournies par la 
RPE concernent la
structure électronique et géométrique des systèmes étudiés ainsi que leur 
comportement dynamique.
Q10. Le radical hydroxyle, HO!, ainsi que le radical hydrosulfure (sulfanyle), 
HS!, ont été
identifiés dans une grande variété denvironnements astrophysiques grâce à 
lobservation de leurs
spectres électroniques et vibrationnels. Expliquer pourquoi ces deux radicaux 
possèdent des
propriétés spectroscopiques similaires. Lexistence du radical HO! peut être 
prouvée grâce à
lobservation de son mode de vibration à 3 570 cm1.
Quelle technique de détection expérimentale est alors utilisée ?

Partie II. Réactivité du radical hydroxyle en milieu biologique
Le dioxygène, O2, composé indispensable aux organismes aérobies, subit in vivo 
une réduction
tétravalente qui implique un échange global de quatre électrons et qui conduit 
à la formation deau.
En réalité, ces quatre électrons ne sont pas échangés simultanément, mais lors 
de quatre étapes
monoélectroniques successives :
- réduction de O2 en anion radical superoxyde, O2! ;
(i)
!
- réduction de O2 en peroxyde dhydrogène, H2O2 ;
(ii)
!
- réduction de H2O2 en eau, H2O, avec production de radical hydroxyle, HO ;
(iii)
(iv)
- réduction de HO! en eau, H2O.
La métabolisation de O2 fait donc intervenir des espèces radicalaires très 
réactives : les radicaux
hydroxyle et superoxyde, tout comme dailleurs leurs espèces acido-basiques 
conjuguées.
Q11. Écrire les quatre demi-équations électroniques (étapes (i) à (iv)) dans le 
sens de la réduction.
En déduire la demi-équation de réduction globale (réaction (v)) impliquant le 
couple redox O2/H2O.
On veillera à équilibrer lensemble des demi-équations redox à laide des ions H+ 
et des molécules
H2O.
Q12. Le potentiel redox standard, E°, est une grandeur qui caractérise tout 
couple redox. Quel
pouvoir E° permet-il de quantifier ? Est-ce une grandeur thermodynamique 
intensive ou extensive ?
Justifier en rappelant la définition de telles grandeurs.

4/18

Q13. En milieu biologique, les couples redox sont caractérisés par leurs 
potentiels standard
apparents à pH = 7 (potentiels standard biologiques, notés E°, document 4).
Déterminer lexpression du potentiel standard biologique E°v du couple O2/H2O en 
fonction des
potentiels standard biologiques (E°i à E°iv) des couples redox intervenant dans 
les réductions (i) à (iv).
Calculer sa valeur à 298 K.
Document 4 - Potentiel standard apparent et potentiel standard biologique
Pour tout couple redox Ox/Red dont la demi-équation électronique fait 
intervenir des ions H+, on
définit un potentiel standard apparent E°pH = f (E°, pH) qui traduit la 
variation du potentiel E avec
le pH lorsque tous les constituants, autres que H+, ont une activité unité.
À pH = 7, le potentiel standard apparent, noté alors E°, est appelé potentiel 
standard biologique.
Q14. Le radical HO! peut réagir sur lui-même à pH = 7 dans une réaction de 
dimérisation
(« dismutation ») à 298 K. Écrire léquation de cette réaction de dimérisation. 
Exprimer puis
calculer à 298 K, la constante déquilibre, K° (définie à pH = 7), de cette 
réaction de dimérisation.
La réaction est-elle quantitative ? Proposer une interprétation à partir de la 
structure électronique
des espèces mises en jeu.
Q15. Exprimer à 298 K, selon la loi de Nernst, le potentiel redox, Eiv, du 
couple HO!/H2O en
fonction des concentrations. En déduire lexpression du potentiel standard 
apparent E°iv,pH en
fonction du pH, puis la valeur du potentiel standard E°iv.
Q16. En milieu alcalin, HO! est transformé en sa base conjuguée O!. Écrire, 
dans le sens de la
dissociation de lacide, la réaction caractéristique du couple acido-basique 
HO!/O! en solution
aqueuse. Justifier quantitativement quil est raisonnable de négliger in vivo, à 
298 K et à pH = 7, la
présence de O!.
Q17. Le radical superoxyde, O2!, est impliqué in vivo dans des réactions 
relativement lentes. Sa
nocivité est, en fait, attribuée à son acide conjugué HO2!. Écrire, dans le 
sens de la dissociation de
lacide, la réaction caractéristique du couple acido-basique HO2!/O2!. Calculer, 
à 298 K, lenthalpie
libre standard de cette réaction, !rG°. Retrouver, à cette température, la 
valeur du pKa du couple
HO2!/O2!.
Q18. On suppose que lenthalpie standard de réaction,"!rH°, ainsi que lentropie 
standard de
réaction,"!rS°, associées à la dissociation de lacide HO2!, ne varient pas avec 
la température dans la
gamme des températures considérées. Calculer !rS°, à 298 K, sachant quà cette 
même température
!rH° = 454,20 kJ.mol1. Commenter le signe de !rS°.
Q19. Écrire, dans le sens de la réduction, la demi-équation redox associée au 
couple HO2!/H2O2
(réaction (vi)). Exprimer, à 298 K, le potentiel standard E°vi du couple 
HO2!/H2O2 en fonction du
potentiel standard E°ii du couple O2!/H2O2 et du pKa du couple HO2!/O2!. En 
déduire, à 298 K, la
valeur du potentiel standard E°vi sachant quà cette même température E°ii = 
1,77 V.
Q20. Exprimer, à 298 K, le potentiel standard apparent E°vi,pH du couple 
HO2!/H2O2 en fonction
du pH. Calculer, à cette température, la valeur du potentiel standard 
biologique E°vi de ce couple.
Montrer alors que le radical hydroxyle, HO!, demeure plus oxydant que les 
radicaux HO2! et O2!
dans les conditions standard apparentes à pH = 7.
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Partie III. Génération du radical hydroxyle par radiolyse de leau
Un rayonnement ionisant est un rayonnement de forte énergie qui provoque 
lexcitation et
lionisation (radiolyse) des molécules du milieu quil traverse. Ainsi, la 
pénétration de
rayonnements ! issus dune source radioactive de 60Co ou dun faisceau délectrons 
issu dun
accélérateur de particules induit, dans leau ou dans les solutions aqueuses 
diluées, la formation de
+
molécules deau excitées, H2O*, ou ionisées, H2O! , selon :
H2O ! H2O*
+
H2O ! H2O! + e
Q21. Le cobalt est un élément chimique qui existe à létat naturel sous la forme 
dun seul isotope
stable : lisotope 59Co. Cependant, de nombreux isotopes radioactifs artificiels 
du cobalt existent,
dont lisotope 60Co qui est caractérisé par une période radioactive, ou temps de 
demi-vie,
T = 5,27 ans. Préciser la différence qui existe entre les noyaux du 59Co et du 
60Co. Sachant quune
décroissance radioactive est un processus qui suit une cinétique de premier 
ordre, calculer la
constante de vitesse de désintégration du 60Co.
Q22. Une microseconde après le passage dun rayonnement ionisant dans une 
solution aqueuse
diluée aérée (présence de dioxygène dissous), on observe, dans le milieu 
irradié, la distribution
homogène des espèces radiolytiques suivantes : HO!, H!, H2O2, H2 et HO2!. En 
vous aidant du
document 1, page 2, proposer des processus (réactions) simples permettant 
dexpliquer la
formation de lensemble de ces espèces radicalaires et moléculaires.
Q23. En radiolyse impulsionnelle (document 5), les espèces radiolytiques 
générées en solution
aqueuse sont détectées au moyen de diverses techniques rapides. Expliquer 
pourquoi il nest pas
possible de détecter les radicaux HO! (produits par radiolyse impulsionnelle) à 
laide dune StreakCamera de type Hamamatsu C7700 (document 6).
Document 5 - La radiolyse impulsionnelle et la détection des radicaux hydroxyle
En radiolyse impulsionnelle, un faisceau délectrons pulsé irradie en quelques 
nanosecondes, voire
en quelques picosecondes, une solution aqueuse et génère dans le milieu les 
espèces radiolytiques.
Ces espèces sont alors détectées au moyen de diverses techniques résolues en 
temps. Cest, par
exemple, par spectrophotométrie dabsorption résolue en temps, à laide dun 
oscilloscope rapide,
que lon a détecté le radical hydroxyle et démontré quil absorbait à 234 nm.
Document 6 - La Streak-Camera comme système de détection en radiolyse 
impulsionnelle
Depuis les années 1960 et les premières expériences de radiolyse 
impulsionnelle, les systèmes de
détection nont cessé dêtre améliorés. Grâce à leur très haute résolution 
temporelle, les caméras à
balayage de fente (Streak-Cameras) sont utilisées pour suivre les phénomènes 
optiques ultrarapides. En plus de leur haute résolution temporelle, ce sont les 
seuls détecteurs optiques permettant
de capturer à la fois la forme temporelle et spectrale des signaux. Elles sont 
actuellement utilisées
pour suivre lévolution temporelle de labsorbance despèces transitoires formées 
par radiolyse
impulsionnelle à léchelle de la picoseconde.
Le modèle C7700 de Streak-Camera, construit par Hamamatsu, possède les 
caractéristiques
suivantes :
- domaine de temps : de 500 ps à 1 ms ;
- résolution temporelle : 3,7 ps ;
- domaine spectral : de 250 nm à 850 nm ;
- résolution en longueur donde : 1 nm ;
- résolution en absorbance : 0,5 %.
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Q24. Les radicaux HO!, produits par radiolyse impulsionnelle en solution 
aqueuse, sont connus pour
réagir quantitativement avec les ions carbonate, CO32, générant dans le milieu 
des radicaux anions
CO3!. Écrire léquation de réaction correspondante.
Q25. Les radicaux CO3!, formés par radiolyse impulsionnelle à partir du radical 
HO!, peuvent
être détectés et leur réactivité peut être suivie grâce à la Streak-Camera 
C7700 (documents 7, 8
et 9, page 8). Sur le profil cinétique du document 9, la montée de labsorbance 
de CO3! à 600 nm
nest pas immédiate après le pulse délectrons et ce, malgré le temps de réponse 
rapide de la StreakCamera. Expliquer pourquoi. Tracer (sans justification) 
lallure du spectre dabsorption du radical
CO3! enregistré 2 "s après le pulse délectrons en y précisant la valeur de 
labsorbance maximale
ainsi que celle de la longueur donde dabsorption maximale.

Document 7 - Image 2D obtenue par Streak-Camera de lévolution temporelle du 
spectre
dabsorption du radical CO3! dans leau*

*Source : C. Coletta, J.L. Marignier et S. Remita, Laboratoire de Chimie 
Physique, UMR 8000, CNRS, université
Paris-Sud, communication privée.

Document 8 - Les signaux obtenus par la Streak-Camera
Lors dune acquisition, les résultats collectés par une Streak-Camera sont sous 
forme dune image
2D de résolution 1 024 × 1 344 pixels. Limage correspond alors à labsorbance de 
la solution
irradiée en fonction de la longueur donde (axe des abscisses) et du temps (axe 
des ordonnées). Les
différents niveaux de gris de limage correspondent aux différentes valeurs de 
labsorbance. Les
pixels les plus foncés correspondent aux absorbances les plus élevées. La 
Streak-Camera permet
ainsi dobtenir sur une seule image, en une seule acquisition, la cinétique aux 
différentes longueurs
donde et le spectre dabsorption à différents temps après le pulse délectrons.

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Document 9 - Évolution temporelle de labsorbance maximale de CO3! à 600 nm 
(figure
extraite de limage 2D du document 7)*

*Source : C. Coletta, J.L. Marignier et S. Remita, Laboratoire de Chimie 
Physique, UMR 8000, CNRS, université
Paris-Sud, communication privée.

Partie IV. Production du radical hydroxyle en photocatalyse
Les technologies photochimiques sont couramment utilisées lors du traitement 
des eaux et des
effluents industriels. Elles permettent, en effet, la production du radical 
hydroxyle HO!, oxydant
très puissant, qui est capable de dégrader les polluants les plus réfractaires.
Q26. La photocatalyse est une technologie basée sur lactivation dun 
semi-conducteur, le
catalyseur, à laide de lénergie apportée par la lumière. Lirradiation du 
catalyseur provoque, à sa
surface, la décomposition de l'eau en radicaux HO!, capables doxyder les 
composés organiques
présents dans le milieu. Néanmoins, lactivation des catalyseurs disponibles 
aujourdhui sur le
marché nest possible que pour des photons de fortes énergies (dans lUV). 
Expliquer brièvement
pourquoi, en pratique, il serait souhaitable de pouvoir élargir la réponse 
spectrale des
photocatalyseurs.
Q27. Le dioxyde de cérium, ou cérine, de formule CeO2, est un semi-conducteur 
utilisé comme
photocatalyseur puisquil absorbe fortement les radiations UV. Préciser le 
nombre doxydation de
lélément Ce dans CeO2. Justifier de la stabilité de ce nombre doxydation en 
explicitant la
configuration électronique externe de latome de cérium. À quel bloc appartient 
le cérium ?
Q28. La cérine, CeO2, cristallise dans une structure cubique de type fluorine 
(CaF2) : les cations
forment un réseau cubique à faces centrées (cfc) et les anions occupent tous 
les sites interstitiels
tétraédriques. Représenter une maille de ce réseau cristallin. Préciser la 
valeur de la coordinence
(nombre de voisins de charge opposée) des cations et celle des anions dans la 
cérine. Justifier.
Q29. Calculer la masse volumique (en kg.m3) de cet oxyde sachant que la 
longueur, a, de larête
de la maille vaut 0,541 nm.
Q30. Rappeler la condition de contact (de tangence) qui lie la longueur, a, de 
larête de la maille
aux rayons ioniques, r et r+, des anions et des cations constitutifs de la 
cérine. Calculer r+ sachant
que r vaut 0,140 nm. Calculer la compacité du réseau dans lequel cristallise la 
cérine.
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Données du Problème 1
Numéros atomiques Z :
Élément

H

O

S

Co

Ce

Z

1

8

16

27

58

Énergies des orbitales atomiques (OA) des éléments H et O, données en eV :
1s

H

O

 13,6

 538,0

2s

 32,4

2p

 15,9

Potentiels standard biologiques (E°pH à pH = 7), notés E°, donnés en volts (V) 
à 298 K par
rapport à lélectrode standard à hydrogène, ESH :
Réaction

(i)

(ii)

(iii)

(iv)

(v)

(vi)

Couple redox

O2/O2!

O2!/H2O2

H2O2/H2O, HO!

HO!/H2O

O2/H2O

HO2!/H2O2

E° (V)

 0,33

0,93

0,30

2,34

pKa à 298 K :
HO!/O! HO2!/O2!
pKa

11,9

4,7

Enthalpies libres standard de formation en solution aqueuse, !fG° (kJ.mol1), à 
298 K :
!fG° (kJ.mol1)

H+

O2!

HO2!

0

31,77

5,02

Masses molaires atomiques M (g.mol1) :
Élément

O

Ce

M (g.mol1)

16,0

140,1

Constante de Planck : h = 6,62 × 1034 J.s
Célérité de la lumière : c = 3 × 108 m.s1
Constante détat des gaz parfaits : R = 8,31 J.K1.mol1
Constante de Faraday : F = 96 485 C.mol1
Nombre dAvogadro : NA = 6,02 × 1023 mol1
2,3 × RT/F = 0,06 V pour T = 298 K
1 eV = 1,6 × 1019 J
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PROBLÈME 2
Synthèse de loséltamivir
Pour lécriture des mécanismes, chaque fois quil le juge nécessaire, le candidat 
pourra utiliser des
notations simplifiées des molécules lui permettant de ne se concentrer que sur 
les groupes
caractéristiques concernés.

Présentation générale
Loséltamivir est un médicament antiviral utilisé pour le traitement et la 
prévention des grippes A et
B. Il est distribué sous la marque Tamiflu® sous la forme dun phosphate, le 
phosphate
doséltamivir. Jusquen 2005, celui-ci était produit industriellement à partir de 
lacide shikimique
extrait de la badiane chinoise (Illicium verum), aussi appelée anis étoilé, 
cultivée dans le sud de la
Chine entre Shanghai et la frontière vietnamienne. Depuis, d'autres plantes 
comme le liquidambar
ou le ginkgo se sont révélées être des sources potentielles d'acide shikimique. 
Le sujet proposé
sintéresse à la synthèse industrielle du phosphate doséltamivir obtenu en 13 
étapes à partir de
lacide shikimique (schéma 1) :

Schéma 1

Partie I. Synthèse industrielle du phosphate doséltamivir
La synthèse industrielle de loséltamivir débute par la préparation du composé 
bicyclique 3 obtenu
en 3 étapes à partir de lacide shikimique (schéma 2) :

Schéma 2
Q31. Lacide shikimique est un composé chiral. Justifier cette affirmation et 
représenter son
énantiomère.
Q32. Identifier et nommer les groupes caractéristiques présents dans lacide 
shikimique.
Q33. Le spectre infrarouge (IR) de lacide shikimique est représenté dans le 
document 10,
page 11. Pour les deux bandes dabsorption indiquées par les flèches ! et " sur 
le document 10,
proposer une attribution.
10/18

Document 10 - Spectre infrarouge (IR) de lacide shikimique (! en cm1)*

*Source : Spectral Database for Organic Compounds, SDBSWeb : 
http://sdbs.db.aist.go.jp (National Institute of
Advanced Industrial Science and Technology, Japan, 2015)

Q34. Dans le chlorure de thionyle, SOCl2, latome de soufre central est lié aux 
deux atomes de
chlore et à latome doxygène. Donner le schéma de Lewis de SOCl2. Quelle 
géométrie peut être
déduite de la méthode VSEPR pour cette molécule ? Indiquer la valeur théorique 
des angles de
liaison. La molécule de chlorure de thionyle est-elle polaire ? Justifier les 
réponses.
Q35. Représenter les composés 1 et 2.
Q36. Quelle fonction est créée lors la formation du produit 3 à partir de 
lintermédiaire 2 ?
Proposer des conditions expérimentales permettant deffectuer cette 
transformation.
Le composé 3 est ensuite transformé en azoture 8 à laide de la séquence 
réactionnelle ci-dessous
(schéma 3) :

Schéma 3
Q37. Le mésylate 4 est obtenu par réaction de lalcool 3 avec le chlorure de 
mésyle, CH3SO2Cl,
en présence de triéthylamine, Et3N. Proposer une équation de réaction 
permettant de modéliser cette
transformation et le rôle de la triéthylamine, que lon explicitera.
11/18

Le composé 5 est traité en milieu basique pour donner lintermédiaire 6. 
Celui-ci évolue
spontanément en un produit bicyclique 7 de formule brute C14H22O4 obtenu sous 
la forme dun seul
stéréoisomère.
Q38. Représenter lintermédiaire 6. À laide de la table des valeurs de pKa (page 
17) proposer la
formule dune base qui permettrait de former sélectivement lintermédiaire 6 à 
partir du composé 5
en justifiant la réponse.
Q39. Justifier lintérêt de la formation du mésylate 4 à partir de lalcool 3. À 
laide du
document 11, indiquer quel(s) autre(s) réactif(s) aurai(en)t pu être a priori 
utilisé(s) à la place du
chlorure de mésyle, CH3SO2Cl. Justifier la réponse et proposer une 
interprétation du choix fait en
faveur du chlorure de mésyle.
Document 11 - La substitution nucléophile
En chimie organique, une substitution nucléophile (SN) est une réaction au 
cours de laquelle un
nucléophile (Nu) remplace un nucléofuge dans une molécule. Le nucléofuge, 
encore appelé groupe
partant (GP), est très souvent un anion :
Nu + RGP ! RNu+ + GP
Un nucléofuge est caractérisé par sa labilité, cest-à-dire sa capacité à 
pouvoir se détacher plus ou
moins facilement de la molécule. La labilité du nucléofuge est corrélée à la 
stabilité de celui-ci. Elle
est inversement proportionnelle à la force du nucléofuge en tant que base, un 
bon nucléofuge
correspondant toujours à la base conjuguée dun acide fort.
Lorsque le nucléofuge est porté par un centre stéréogène, sa labilité joue un 
rôle déterminant dans la
stéréosélectivité de la substitution nucléophile. Une trop grande labilité de 
celui-ci peut en effet
conduire à la perte de linformation stéréochimique sur le centre stéréogène, en 
particulier quand un
carbocation secondaire ou tertiaire peut être formé.
Q40. Représenter le composé 7 de formule brute C14H22O4. Justifier la 
stéréosélectivité de sa
formation.
Le composé bicyclique 7 est ensuite traité par lazoture de sodium, NaN3, pour 
donner le produit
majoritaire 8 accompagné dun isomère 8bis.
Q41. Donner les trois structures limites de résonance de lion azoture, N3, 
respectant la règle de
loctet pour tous les atomes. Quelle est la structure limite de résonance la 
plus contributive à la
forme réelle ? Justifier la réponse.
Q42. Représenter lisomère 8bis.
La suite de la synthèse de loséltamivir fait intervenir une réaction de 
Staudinger (document 12,
page 13) sur lazoture 8. Mis en réaction avec la triphénylphosphine dans des 
conditions strictement
anhydres, lazoture 8 conduit ainsi à un intermédiaire 9 instable qui se 
réarrange rapidement en
aziridine 10 (schéma 4) :

Schéma 4
12/18

Q43. À laide du document 12, proposer une structure pour lintermédiaire 9.
Document 12 - La réaction de Staudinger
La réaction de Staudinger permet de transformer un azoture en lamine 
correspondante dans des
conditions douces compatibles avec de nombreuses fonctions. Deux étapes sont 
nécessaires :

La première étape correspond à laddition nucléophile de la triphénylphosphine, 
P(C6H5)3, sur
lazoture, conduisant à la formation dun iminophosphorane :

Dans la deuxième étape, la réaction dhydrolyse de liminophosphorane conduit à 
lamine
souhaitée. Loxyde de triphénylphosphine est en plus obtenu comme sous-produit. 
Cette étape se
déroule selon le mécanisme suivant :

Q44. Linstabilité de lintermédiaire 9 est due à la présence du groupement 
hydroxyle sur la
molécule. Ce groupement joue le même rôle que celui de leau dans la réaction de 
Staudinger.
Proposer un mécanisme réactionnel rendant compte de la formation de laziridine 
10 à partir de
lintermédiaire 9.
Loséltamivir est finalement obtenu sous forme de phosphate en plusieurs étapes 
à partir de
laziridine 10 (schéma 5) :

Schéma 5
Q45. Représenter le composé 11 qui, traité par lacide phosphorique, H3PO4, 
donne directement
loséltamivir sous forme de phosphate.

13/18

Q46. À laide du document 13, donner une raison pour laquelle lutilisation de 
lammoniac NH3
nest pas envisageable pour obtenir sélectivement le composé 11 à partir de 
laziridine 10. Proposer
une séquence réactionnelle permettant deffectuer cette transformation en 
représentant les produits
intermédiaires.
Document 13 - Synthèse des amines primaires
Les amines primaires (RNH2) peuvent être créées par la substitution nucléophile 
(SN) dun groupe
nucléofuge, porté par un atome de carbone, à laide de l'ammoniac NH3. Cette 
méthode de
préparation des amines primaires est cependant très peu utilisée en synthèse. 
Lamine primaire
ainsi formée est en effet plus réactive que lammoniac de départ. Cette 
stratégie conduit donc
inévitablement à des mélanges damines primaires (RNH2), secondaires (R2NH) et 
tertiaires (R3N)
par polyalkylation de latome dazote. Cela en limite considérablement lintérêt 
en synthèse
organique.
Des méthodes alternatives de préparation des amines primaires utilisant des 
équivalents masqués
du groupement NH2 sont ainsi généralement préférées. Ces méthodes comportent 
plusieurs étapes :
o dans la 1re étape, un groupe nucléofuge porté par un atome de carbone est 
substitué par un
nucléophile azoté via une réaction de type SN2 ou SN1 ;
o une 2e étape, faisant appel à des réactions classiques de la chimie 
organique, est ensuite
nécessaire pour obtenir le groupe NH2.
Le tableau ci-dessous présente quelques méthodes couramment utilisées pour la 
synthèse des
amines primaires (les éventuelles étapes dhydrolyse ne sont pas indiquées) :
1re étape

2e étape

N3 (SN2)

LiAlH4

N3 (SN2)

H2, Pd/C

N3 (SN2)

PPh3

C6H5SO2NH (SN2)

Na, NH3

CN (SN2)

LiAlH4

CN (SN2)

H2, Ni

(SN2)

KOH, H2O

NO2 (SN2)

LiAlH4

H2, Ni

NO2 (SN2)

Fe, CH3CO2H

NH2CONH2 (SN1)

KOH, H2O

NO2 (SN2)

14/18

Q47. Le spectre de résonance magnétique nucléaire du proton (RMN 1H) du 
phosphate
doséltamivir obtenu à 400 MHz dans le chloroforme deutéré (CDCl3) présente, 
entre autres, un
signal doublet dintégration 1H et de constante de couplage 3J = 2,1 Hz au 
déplacement chimique
!"="#$%&"ppm (partie par million).
Attribuer ce signal à un ou des atomes dhydrogène caractéristique(s) du 
phosphate doséltamivir.
Justifier la multiplicité.

Partie II. Modification de Karpf et Trussardi
Une modification de la synthèse industrielle de loséltamivir, développée en 
2001 par Karpf et
Trussardi, permet déviter lemploi dazotures souvent dangereux à manipuler. 
Limine 14 est tout
dabord préparée à partir de lintermédiaire 7 (schéma 6) :

Schéma 6
Q48. À laide du document 14, proposer un réactif 13 permettant dobtenir limine 
14 à partir de
lamine 12. Rappeler brièvement le principe de la distillation 
hétéroazéotropique dans le cas de la
formation de limine 14.
Quel est le rôle de cette technique dans cette transformation ?
Document 14 - Formation des imines
Les imines sont des analogues azotés des aldéhydes et des cétones. Ces 
composés, possédant une
double liaison carboneazote, sont classiquement obtenus par réaction de 
condensation des
aldéhydes et des cétones avec des amines primaires. Cette condensation 
équilibrée est
généralement conduite en présence dune quantité catalytique dacide, la vitesse 
de la réaction
passant par un maximum pour un pH voisin de 4  5 :

Q49. Déterminer la configuration de la double liaison carboneazote de limine 14 
(de même type
que la double liaison carbonecarbone). Justifier la réponse.

15/18

La suite de la synthèse permet daccéder au phosphate doséltamivir en quelques 
étapes décrites
ci-dessous (schéma 7) :

Schéma 7
Q50. Proposer un mécanisme réactionnel rendant compte de la formation de 
laziridine 16 à partir
de lintermédiaire 15.
Q51. Représenter le produit 18.

16/18

Données du Problème 2

Numéros atomiques Z :
Élément

N

O

S

Cl

Z

7

8

16

17

N

O

S

Électronégativités !"sur léchelle de Pauling :
Élément

Cl

Électronégativité ! 3,0 3,4 2,6 3,2

Valeurs de pKa (à 25 °C par rapport à leau) de quelques couples acide-base* :
Couple acide-base
CH3(CH2)2CH3 / CH3(CH2)2CH2

pKa

49,0

36,0

[(CH3)2CH]2NH / [(CH3)2CH]2N
CH3OH / CH3O

15,5

Et3NH+ / Et3N

10,8

HCO3 / CO32

10,3

NH4+ / NH3

9,2

CH3CO2H / CH3CO2

4,8

HF / F 

3,2

CH3SO3H / CH3SO3

 2,6

CH3C6H4SO3H / CH3C6H4SO3

 6,5

HCl / Cl

 8,0

HBr / Br

 9,0

CF3SO3H /

CF3SO3

 14,0

*Sources : D. A. Evans, Harvard University 
(http://ccc.chem.pitt.edu/wipf/MechOMs/evans_pKa_table.pdf) ; Reactions,
Mechanisms, and structure in Advanced Organic Chemistry 4th Edition, J. March ; 
John Wiley & Sons, Inc. ; 1992.

17/18

IR (gamme de nombres donde)* :
Groupe fonctionnel

!"(cm1)

Intensité"

OH acide

2 500  3 300

Intense et large

C=O ester saturé

1 735  1 750

Intense

C=O ester conjugué

1 715  1 730

Intense

C=O cétone saturée

1 705  1 725

Intense

C=O aldéhyde saturé

1 700  1 710

Intense

C=O acide saturé

1 700  1 725

Intense

C=O acide conjugué

1 690  1 715

Intense

C=O cétone conjuguée

1 685  1 705

Intense

C=O aldéhyde conjugué

1 680  1 690

Intense

C=C alcène

1 640  1 690

Moyenne

C=C alcène conjugué

1 635  1 650

Moyenne

RMN 1H (gamme de déplacements chimiques)* :
Protons

# (ppm)

CHCH=CH

1,5  2,4
2,3  2,8

CHN

3,5  4,2

CHO

3,5  4,2

RCO2CH

3,5  4,5

RCH=CHR

4,6  7,0
7,2  7,9

9,1  10,3

*Source : Tables of Spectral Data for Structure Determination of Organic 
Compounds 2nd Edition, E. Pretsch,
W. Simon, J. Seibl, T. Clerc, W. Fresenius, J. F. K Hubert, E. Pungor, G. A. 
Rechnitz, W. Simon Eds. ; 1989.

FIN

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Extrait du corrigé obtenu par reconnaissance optique des caractères



CCP Chimie PC 2016 -- Corrigé
Ce corrigé est proposé par Margaux Galland (ENS de Lyon) ; il a été relu par
Christelle Serba (Docteur en chimie) et Alexandre Herault (Professeur en CPGE).

Le sujet est classiquement composé de deux problèmes indépendants, l'un portant
sur la chimie générale, l'autre sur la chimie organique.
Le premier problème s'intéresse au radical hydroxyle HO· à travers l'étude de
documents. Il s'agit d'une des espèces les plus étudiées en chimie radicalaire.
Ce radical libre et électriquement neutre est très réactif. Il peut être 
facilement généré
et est impliqué dans de nombreux procédés à l'échelle industrielle.
· Une première partie concerne l'étude théorique et la détection expérimentale 
de
ce radical à travers l'étude du diagramme d'orbitales moléculaires et de données
spectroscopiques.
· Une deuxième partie étudie la réactivité de ce radical en milieu biologique 
grâce
à de la thermodynamique en solution.
· Une troisième partie traite de la génération de ce radical par radiolyse de 
l'eau
et fait appel à de nombreux documents fournis par l'énoncé.
· Enfin, une quatrième partie aborde sa génération par photocatalyse et, plus
particulièrement, l'étude cristallographique du dioxyde de cérium qui est un
semi-conducteur utilisé comme photocatalyseur.
Le deuxième problème a pour sujet la synthèse industrielle du phosphate 
d'oséltamivir, qui est un médicament antiviral utilisé pour le traitement et la 
prévention
des grippes A et B.
· Une première partie étudie les 13 étapes impliquées dans la synthèse 
industrielle
à partir de l'acide shikimique.
· Une deuxième partie traite de la modification de cette synthèse afin d'éviter
l'utilisation de composés trop dangereux.
Ce sujet peut sembler compliqué au premier abord mais les questions sortant du
cadre du programme sont bien guidées grâce aux documents fournis et aux données
en annexe.

Indications
Premier problème
2 Employer les conditions d'interactions entre orbitales pour déterminer 
quelles OA
combiner.
7 Utiliser la relation de Planck-Einstein liant l'énergie E d'une transition 
électronique et la longueur d'onde  de cette transition.

13 Utiliser r G  = -n F E  avec n nombre d'électrons échangés.

14 Utiliser la relation liant r G  et K .
16 Trouver le lien entre pH et pKa afin d'obtenir le rapport des concentrations.
18 Pour commenter le signe de r S , déterminer comment évolue le désordre.

20 Comparer les potentiels standard E  .
21 Trouver le lien entre la constante de vitesse de désintégration k et le 
temps de
demi-vie T.
23 Le radical HO· absorbe à 234 nm.
25 Utiliser le document 8 pour interpréter le document 7 et en déduire l'allure 
de la
courbe d'absorption.
Deuxième problème
37 La triéthylamine est une base.
38 Comparer les forces des bases proposées grâce aux pKa.
39 Comparer le pouvoir nucléofuge du mésylate et de l'hydroxyde. Raisonner sur 
la
probabilité de perdre la stéréochimie avec l'amélioration du pouvoir nucléofuge.
43 La réaction formant 9 est la première étape de la réaction de Staudinger 
décrite
dans le document 12.
44 La dernière étape est une substitution nucléophile libérant l'oxyde de 
triphénylphosphine (C6 H5 )3 P=O.
45 L'acide phosphorique effectue une réaction acido-basique avec 11 pour donner 
le
phosphate d'oséltamivir.
46 Quelles sont les types de réactions qui peuvent altérer les fonctions 
présentes
sur 10 ? Il faut également former la fonction amide.
49 Attention, la représentation de 14 donnée par l'énoncé ne permet pas de 
répondre
avec les informations fournies. Considérer que le groupement phényle est situé 
du
même côté du plan de la double liaison que la paire libre de l'azote. La 
détermination de la configuration de la double liaison C=N se fait comme pour 
une double
liaison C=C. Le doublet non-liant de l'azote est le dernier groupe en terme de
priorité.
50 Le carbone de la fonction imine est très électrophile.

Autour du radical hydroxyle
I. Approche théorique et détection expérimentale du radical hydroxyle
1 Les configurations électroniques dans les états fondamentaux sont obtenues en
appliquant les règles de Klechkowski, Hund et Pauli. Le numéro atomique Z de 
l'oxygène est égal à 8 et sa configuration électronique dans l'état fondamental 
est
O : 1s2 2s2 2p4
De même l'hydrogène a pour numéro atomique Z = 1 et pour configuration 
électronique dans l'état fondamental
H : 1s1
Les orbitales de valence sont les orbitales 2s et 2p pour l'oxygène et 1s pour
l'hydrogène. Les nombres quantiques associés à ces orbitales sont les suivants :
orbitale
1s
2s
2p

nombre quantique
nombre quantique
nombre quantique
principal n
secondaire ou azimutal 
magnétique m
1
0
0
2
0
0
2
1
-1, 0 ou 1

2 Les orbitales de valence ont pour forme

pz

1
0
0
1

py

r

orbitale s

z

px

y
x

orbitales p

Pour interagir, deux orbitales doivent avoir la même symétrie, un recouvrement
non nul et être proches en énergie. D'après les valeurs d'énergie données en 
annexe, la
différence d'énergie entre l'orbitale 2s de l'atome d'oxygène et l'orbitale 1s 
de l'hydrogène est E = 18,8 eV. Par conséquent, l'interaction entre ces deux 
orbitales
est négligeable. De plus, en prenant y comme axe internucléaire, le recouvrement
entre l'orbitale 1s de l'hydrogène et les orbitales de l'oxygène 2px d'une part 
et 2pz
d'autre part sont nuls.
Les seules orbitales interagissant entre elles sont la 1s de H et la 2py de O.

3 Le diagramme d'orbitales moléculaires complet est le suivant
E (eV)

E (eV)

H

O

anti-liante

1s

-13,9

non liantes

2p

-15,9

2 liante
2s

-32,4
1 non liante

Les orbitales issues des orbitales 2s, 2px et 2pz de l'oxygène sont non liantes
et de symétrie respective  et . L'orbitale issue du recouvrement positif entre
les orbitales 1s de H et 2py de O est liante et de symétrie . Celle issue du
recouvrement négatif de ces orbitales est anti-liante et de symétrie .
La configuration électronique du radical HO· est
HO· :

2

2

(1) (2) ()

3

4 D'après le diagramme et les énergies des orbitales fournies en annexe les 
orbitales de l'oxygène sont plus basses en énergie que celle de l'hydrogène, 
l'oxygène est
alors plus électronégatif que l'hydrogène. De plus, la contribution de 
l'orbitale 2py de
l'oxygène dans l'orbitale 2 est plus importante que celle de l'orbitale 1s de 
l'hydrogène. Les électrons sont donc schématiquement plus proches de l'oxygène. 
L'oxygène
possède donc une charge partielle  - . Par conséquent l'hydrogène porte une
charge partielle  + .
L'électron célibataire est situé sur les orbitales  issues des orbitales p de 
l'oxygène
n'interagissant pas. Cet électron est ainsi porté par l'oxygène.
5 L'indice de liaison I est donné par
nombre d'e- dans OM liantes - nombre d'e- dans OM anti-liantes
2
On a ici deux électrons dans des orbitales moléculaires liantes et aucun 
électron dans
les orbitales moléculaires anti-liantes. Ceci conduit alors à un indice de 
liaison
I=