X/ENS Chimie PC 2020

Thème de l'épreuve Synthèse d'un complexe de platine(II). Synthèse d'un alcaloïde.
Principaux outils utilisés solutions aqueuses, cinétique chimique, thermodynamique, chimie organique, orbitales moléculaires, chimie de coordination
Mots clefs platine, cystéine, alcaloïde

Corrigé

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

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ÉCOLE POLYTECHNIQUE - ESPCI
ÉCOLES NORMALES SUPERIEURES

CONCOURS D ADMISSIO N 2020

MARDIZ2IAVRIL 2020 - 14h00 - 18h00
FILIÈERE PC - Epreuven 4

CHIMIE À
(XEULC)

Durée: d heures

L'utilisation des calculatrices n estpas autorisée pour cette épreuve
Ce sujet comprend deux parties À et B, indépendantes l'une de l'autre. Des 
données permettant sa
résolution figurent en annexe.

Un soin tout particulier est attendu dans la précision et la concision des 
réponses apportées.

Partie À : Synthèse d'un complexe de platine (II)

Les complexes de platine (II) sont des composés utilisés depuis 1978 en tant 
que composés anti-
tumoraux. Le premier composé de cette famille est, historiquement, le 
cis-platine, dont les
propriétés ont été étudiées par B. Rosenberg. En 1960, il découvre par hasard 
que des produits
d'électrolyse du platine peuvent inhiber la division cellulaire.

Dans ce problème, la synthèse d'un complexe de platine (IT) (noté D dans la 
suite de ce problème)
impliquant un atome de soufre est présentée. La présence de l'atome de soufre 
est importante, car
les propriétés de l'ion central sont modifiées par l'interaction ainsi créée. 
La structure du complexe
D ainsi que ses propriétés électroniques sont étudiées, et des résultats 
cinétiques concernant la
formation de ce complexe sont utilisés pour donner des informations sur le 
mécanisme de sa
formation.

Structure électronique du platine et d'un de ses complexes
1. Donner la structure électronique de l'ion platine (IT) en la justifiant à 
partir de celle de l'atome.

Les complexes tétravalents du platine (IT), tels que PtCl;" (A), présentent 
généralement une
géométrie plan carré. Le complexe PtCl; sera modélisé pour les quatre questions 
suivantes par
PtH."_. Les orbitales du système H, plan carré sont représentées sur la Figure 
1 ainsi que le système
d'axes utilisé dans ce problème.

X1 X2 X3 X4 repère
Z

+ n

Figure 1 : orbitales moléculaires du fragment H, et repère utilisé dans le 
problème

2. Classer les orbitales x; (pour i variant de 1 à 4) par ordre croissant 
d'énergie. Justifier que les
orbitales y, et x; possèdent la même énergie.

1/17
3. Représenter les orbitales d du platine dans le même repère. En utilisant des 
règles de symétrie,
donner les interactions possibles entre les orbitales d de valence du platine 
et les orbitales du
fragment H,. Montrer ainsi que, parmi les orbitales du fragment H:, deux 
orbitales ne peuvent pas
interagir avec les orbitales d du platine.

4. Montrer, toujours en utilisant les règles de symétrie, que chacune des 
orbitales non-
interagissantes de la question précédente peut interagir avec une, et une 
seule, orbitale p de valence
du platine, et que ces orbitales n'interagissent pas avec l'orbitale s de 
valence du platine.

Propriétés d'un acide aminé ligand du platine

Le cation Pt" peut former un complexe avec, entre autres, la L-cystéine. La 
L-cystéine est un acide
aminé naturel représenté sur la Figure 2 sous forme protonée et sous forme 
acétylée. Les valeurs des
pK, mesurés pour la L-cystéine en solution aqueuse sont respectivement 1,9, 9,1 
et 10,3. Lorsque la
L-cystéine est acétylée sur l'amine (Figure 2b), les pK, mesurés en solution 
aqueuse sont

respectivement 3,2 et 9,5.
O

O
ST 0 So
NHz SY
(a) CH; (D)

Figure 2 : L-cystéine protonée (ou L-cystéinium) (a) et forme acétylée de la 
L-cystéine (b)

5. Donner les couples acido-basiques auxquels correspondent la plus petite 
valeur de pK, pour la L-
cystéine libre et la L-cystéine acétylée.

6. Confronter les valeurs de pK, à celles habituellement mesurées pour ces 
couples, et commenter.

7. Justifier la différence de pK, entre les deux couples étudiés question 5.

8. Donner la forme prédominante de la L-cystéine à pH = 4.

La Figure 3 représente le suivi par pH-métrie du titrage de 20,0 mL d'une 
solution aqueuse de

chlorure de L-cystéinium à une concentration de 1,0-10 * mol L'' par une 
solution aqueuse
d'hydroxyde de sodium à la concentration de 1,0:10 * mol L".

2/17

©

T Î

0 2 4 6 8 10
Viiaon (ML)

S

Figure 3 : suivi par pH-métrie du titrage d'une solution aqueuse de chlorure de 
L-cystéinium par
une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium

9, Analyser le plus précisément possible la courbe de titrage en relation avec 
les réactifs mis en jeu
dans la réaction support du titrage et leurs pK.

10. Donner l'allure schématique de la courbe qui serait obtenue lors du suivi 
de ce même titrage par
conductimétrie en justifiant les évolutions relatives et les points 
particuliers.

11. Comparer avec le résultat du dosage pH-métrique.
On s'intéresse dans la suite à la formation du complexe D à partir du complexe 
PtCl;" (A). Le
composé D comprend deux ligands dont la L-cystéine. Ce complexe est préparé en 
trois étapes

selon le schéma reporté sur la Figure 4. Les produits secondaires 
éventuellement formés ne figurent
pas sur ce schéma.

3/17
PtCL* D

(A) +
(C,.H,;N,O,SPT)
h À
" H,0 H,O
2 ke: à
? \ 50 °C, 12h L-cystéine | 55°C. 2h
N NH
Y
_ _ _ 4
H H
N N
T AgCIO, (2,1 équiv.) Y
7 Ho N"
\ NH 2 \.-NH,
Pr température LA Pt
ur 3 ambiante, 12h 0;  Cr SO: CO; C204 HO CIO4
Ag" 2,7 9,8 4,8 11,1 11,0 7,7 --0,8

12. Détailler le rôle du cation Ag" dans la transformation B = C.
13. Justifier le caractère faiblement coordinant de l'anion CIO, à l'aide de 
structures de Lewis.

14. En déduire les raisons du choix du composé AgCIO, et des quantités 
utilisées lors de la
deuxième étape.

Étude de la formation du complexe D par la méthode des variations continues

Les composés formés par réaction du complexe EUR avec la L-cystéine ou avec son 
dérivé acétylé
dans les mêmes conditions possèdent des structures similaires dans lesquelles 
le ligand introduit se
fixe en mode bidente. La constante de formation de D, supposée grande et notée 
B, est associée à la
réaction d'équation :

C (aq) + n L-cystéine (aq) = D(aq) + y H0 (1)

La stoechiométrie du complexe D a été déterminée par spectroscopie UV-visible 
en utilisant la
méthode des variations continues, présentée dans les questions suivantes. 
Plusieurs solutions du

4/17
complexe C et de L-cystéine en proportions variables sont préparées et leur 
absorbance est mesurée
à 266 nm dans une cuve de chemin optique L.

À cette longueur d'onde, seul D absorbe significativement, son coefficient 
d'absorption molaire est
noté & et ceux des autres espèces présentes dans le milieu sont négligés. Dans 
ces mélanges, la
somme c+ des concentrations initiales (avant réaction de complexation) en C et 
en L-cystéine est
constante, mais la proportion entre ces deux concentrations initiales varie. 
Les notations suivantes
seront utilisées :

C
Cu = [Ch + [L--cystéine, et x = < L tot Les résultats obtenus figurent dans le tableau ci-dessous. X 0,25 0,33 0,50 0,67 0,75 0,202 0,231 0,257 0,232 0,209 Afin d'alléger les expressions, la concentration standard c° pourra être omise dans les expressions des questions suivantes. 15. En considérant que x est proche de 0, exprimer l'absorbance A, de chaque mélange en fonction de EUR», L, X et Ci. 16. En considérant que x est proche de 1, exprimer l'absorbance A4 de chaque mélange en fonction de &p, 1, n, x et Ci. 17. Montrer que À, et Ai se croisent pour une valeur x* telle que : « 1 X = l+n 18. Commenter la pertinence des valeurs particulières de x utilisées pour l'expérience. Indiquer si d'autres valeurs auraient été judicieuses. 19. Confirmer, à l'aide d'une représentation graphique schématique A(Xx), la valeur de n obtenue grâce la formule brute de D. 20. Préciser l'influence de la valeur de B sur le schéma tracé à la question précédente. 21. Donner la structure du composé D formé dans ces conditions en faisant apparaître l'organisation des ligands autour du platine (l'environnement du platine reste plan carré). Dénombrer et représenter les isomères se formant éventuellement et, le cas échéant, préciser la (les) relation(s) de stéréochimie entre eux. 9/17 22. Par comparaison des structures des complexes A et D et en utilisant le raisonnement des questions 2 à 4, expliquer pourquoi certaines orbitales sont dégénérées dans le complexe A alors que ce n'est pas le cas dans le complexe D. Étude cinétique de la formation du complexe D Dans la suite de ce problème, on considérera que la constante f est infiniment grande. La longueur d'onde d'étude est désormais de 240 nm, longueur d'onde à laquelle les complexes C et D absorbent tous les deux. À cette longueur d'onde, on notera &c' le coefficient d'absorption molaire du complexe C et &." celui du complexe D. La cinétique de formation du complexe D est suivie par spectroscopie UV-visible. La Figure 5 représente les résultats du suivi dans le cas où la concentration initiale en C est [Cl = 1,50:10 " mol L 'et celle en L-cystéine est [L-cystéine]o = 1,50-10 ° mol L *. Le graphique ci-dessous représente l'évolution de la grandeur In(A+ -- À) en fonction du temps, où A. représente l'absorbance de la solution à un temps infini et À celle de la solution à un instant t. 0.4 0.3 + QG? - ALT 0.0 + + In(Ax -- À) 0 + | LT 0 2 - ah --(} 3 + | | | | | | | nn --(],4 T 1 T 1 1 T 1 T Ü 10 20 30 4) 50 60 40 80 90 temps (min) Figure 5 : suivi cinétique de la transformation C = D par spectroscopie UV-visible. Les + représentent les points de mesures, la droite en pointillés est un ajustement linéaire des données sur l'intervalle 60-90 minutes 23. Comparer les valeurs initiales des concentrations et en déduire une approximation raisonnable. 6/17 L'approximation ainsi déterminée pourra être faite dans toute la suite du problème. 24. En exploitant la Figure 5, montrer que la transformation C + D n'est pas un acte élémentaire. 25. Expliquer, sans calcul, que la présence d'un intermédiaire LE entre les complexes C et D est compatible avec les données ci-dessus. On admet que le mécanisme réel est plus complexe et peut s'écrire sous la forme : K k, k, C + L--cystéine = I1 = 12 > D

On notera la constante d'équilibre de la première réaction K, et les constantes 
de vitesse associées
aux deux étapes suivantes k: et k: Dans ce mécanisme, la coordinence de tous 
les complexes
impliqués, y compris les intermédiaires, est la même.

26. Montrer que, sous des hypothèses raisonnables à expliciter, une constante 
apparente, notée kops
et dont l'expression doit être donnée explicitement, suffit à décrire au niveau 
macroscopique

pendant les temps courts de la réaction les deux premières étapes de cette 
séquence réactionnelle
selon le schéma :

k k,
C = 12 = D

27. Exprimer alors l'évolution de la concentration en complexe C au cours du 
temps.

28. Établir et résoudre l'équation différentielle décrivant l'évolution de la 
concentration en
intermédiaire L2 au cours du temps.

29, En déduire simplement l'évolution de la concentration en complexe D au 
cours du temps.
L'évolution de l'absorbance peut ainsi être exprimée sous la forme :
As -- À = a'exp(---kops t) + d>exp(-k t)

dans laquelle que a. et a ne dépendent que de constantes et de la concentration 
initiale en [C]. On
admettra dans la suite que la constante k; est plus petite que la constante ks.

30. En supposant le modele cinétique proposé valide et à l'aide de la Figure 5, 
donner une
estimation (en min ', à 30 % près) de la valeur de k> dans les conditions 
présentées.

La grandeur À est définie par la relation :
À = (A4 -- À) - @'exp(-k t)

7717
Pour les faibles temps de réaction, la grandeur In(A) est représentée en 
fonction du temps sur la

Figure 6.

1.1

--1 4 4

--1,5 e

--] 6 4

1.7 -

In(A)

--1,8 -

--] 9 -

-- 7? 0 -

--2.1

T

3 4

_

temps (min)

Ee

Figure 6 : suivi par spectroscopie UV-visible de la transformation C = D sur 
l'intervalle 1-5

minutes

31 En supposant le modèle cinétique proposé valide et à l'aide de la Figure 6, 
donner une estimation
(en min ", à 30 % près) de la valeur de k+, dans les conditions présentées.

L'expérience précédente a été reproduite à plusieurs températures et pour 
plusieurs concentrations
en réactifs différentes, ce qui a conduit aux valeurs présentées dans le 
tableau ci-dessous.

Température (°C) k./s" k/s" K
25 2,93-10 2,34:10 ° 325,49
30 3,77:10 * 2,85:10 ° 342,19
35 5,03:10 * 3,57:10 ° 366,21
40 6,27:10 4,31:10 ° 382,18
45 7,81:10 * 5,45:10 ° 411,27

32. Enoncer la loi d'Arrhenius et préciser les grandeurs mises en jeu.

D'autres grandeurs d'activation peuvent être introduites, que l'on définira de 
manière simple par les

relations :

- enthalpie d'activation :
- entropie d'activation :

- enthalpie libre d'activation :

AH = AtH°(état de transition) - AHH(réactifs)
A,S* = S'(état de transition) -- S'(réactifs)
AÀ,G* = A;G'(état de transition) -- A;G°(réactifs)

8/17

Dans les relations précédentes, l'indice f fait référence aux réactions de 
formation. Les grandeurs
d'activation introduites peuvent être manipulées comme les grandeurs 
thermodynamiques
habituelles. En particulier, les relations liant les grandeurs thermodynamiques 
seront considérées ici
comme valables pour les grandeurs d'activation. Les variations de A.H° et de 
A,S* avec la
température seront négligées.

Dans ce cadre, la relation d'Eyring, donnée ci-dessous, est utilisée de manière 
similaire à la relation
d'Arrhenius.

LL KT
sr:

À G°
RT

où kë est la constante de Boltzmann, T la température, h la constante de Planck 
et R la constante des
gaz parfaits.

À partir des valeurs expérimentales obtenues par variation de la température, 
les enthalpies et
entropies d'activation pour les étapes conduisant à la formation des 
intermédiaires [1 et F2 ont été
déterminées :

AH; = 34,70 kJ mol ! AH; = 29,26 kJ mol !
AS; = --173,02 J mol * K* AS; = ---232,19 J mol ' K*

33. Montrer qu'il est possible à l'aide de l'équation d'Eyring d'exprimer le 
facteur pré-exponentiel
de l'équation d'Arrhenius en fonction d'un terme exponentiel indépendant de la 
température.
Proposer alors une interprétation du facteur pré-exponentiel.

34. Proposer un traitement des données expérimentales ayant pu conduire à la 
détermination des
enthalpie et entropie d'activation pour chaque étape. Le raisonnement ainsi que 
la discussion
d'éventuels graphiques éventuels à tracer seront détaillés, mais aucun calcul 
numérique n'est
attendu.

Le complexe I2 est un composé dans lequel l'une des molécules d'eau du complexe 
C a été
remplacée par l'atome de soufre de la L-cystéine.

35. Préciser le type de transformation conduisant de l'intermédiaire 12 au 
complexe D.
36. Proposer, à partir de l'interprétation au niveau microscopique du signe de 
A;S,, un mécanisme

pour cette dernière étape et en déduire que l'hypothèse d'un acte élémentaire 
pour I2 = D est
raisonnable.

9/17
Partie B : Quelques étapes de la synthèse d'un alcaloide

L'objectif de ce problème est l'étude de la synthèse de l'alcaloïde 15. Ce 
composé possède des
propriétés pharmaceutiques intéressantes, et la construction de sa structure 
complexe représente un
défi pour les chimistes spécialistes de synthèse en chimie organique. En effet, 
le contrôle de la
stéréochimie de chaque étape, en particulier sur les trois carbones 
quaternaires (quatre substituants
hors atomes d'hydrogène) présents dans la structure, est important et sera 
étudié attentivement dans
la suite.

15

COOMe
COOMe

Dans tout ce problème, la notation N+ signifie que le composé N est un mélange 
de deux
énantiomères. Dans ce cas, la structure d'un seul des énantiomères peut être 
donnée, mais cette
structure doit être cohérente avec celles présentées pour les questions 
précédentes et
suivantes. Certaines étapes sont suivies d'une hydrolyse non-présentée sur le 
schéma mais
mentionnée dans le texte.

Un soin particulier est attendu dans l'écriture des mécanismes réactionnels. 
Les questions assorties
d'un astérisque (*) après leur numéro exigent des réponses pour lesquelles les 
formules des
différentes espèces, réactifs ou intermédiaires, se conforment aux régles de 
représentation de Lewis
et font apparaître les doublets non liants, les lacunes électroniques et les 
charges, ainsi que les
formes mésomères s'il y a lieu. Certains groupes pourront être écrits sous 
forme abrégée si les
notations sont clairement introduites ou si elles figurent dans l'énoncé.

La première partie d'une voie de synthèse du composé 15 est présentée sur la 
Figure 7.

10/17
O
SO -- CE À +: (XC &_ COOE
\ COOEt

COOMe boome 2' boome
TIPS
CH NBus, F°

AZ . ° ho

2 et 2 ES -- =  4+ me DE
sans solvant THF ji À)
120°C, 3h --60°C ; 20 min. ' [
toluène
-TIPS = -Si(CH(CH.).). reflux, 3h

nf PE
5+ >
THF
--/8°C, 45 min. £
COOE
COOMe

Figure 7 : premières étapes de la synthèse du composé 15

37. Proposer des conditions expérimentales permettant de préparer le composé 2 
à partir du
composé 1 en utilisant tout réactif organique comportant au plus quatre atomes 
de carbone, et en
détaillant les conditions expérimentales nécessaires.

38. Donner la relation de stéréoisomérie qui lie les composés 2 et 2". A l'aide 
de formes mésomères
représentatives, expliquer pourquoi un équilibre peut s'établir entre ces deux 
stéréoisomères.

L'isomère 2 est le seul à réagir significativement dans les conditions 
aboutissant au composé 3. On
note à la proportion de 2 parmi les deux isomères 2 et 2", c'est-à-dire :

n(2)
n(2) + n(2')

OEA --

Le mélange des composés 2 et 2° est par la suite soumis à des conditions de 
réaction sans solvant,
ce qui conduit à la formation du produit 3+ sous la forme d'un mélange de deux 
énantiomères.
L'interprétation du spectre de RMN du proton de ces composés montre que la 
régiosélectivité de la
transformation est due à un contrôle stérique.

39. Préciser l'influence de la valeur de « sur le rendement de l'étape 2 et 2° 
= 3+.

11/17
40*. Donner la structure du composé 3+. Donner le mécanisme impliqué, préciser 
le rôle de chaque
réactif et représenter clairement les aspects stéréochimiques. La structure de 
l'état de transition de
cette transformation devra en particulier être donnée.

41. Déterminer, en le justifiant, le nombre d'isomères du composé 3+ formés 
dans ces conditions.
Le composé 3+ est soumis aux conditions de réaction présentées sur la Figure 7, 
suivies par un
lavage par une solution saline aqueuse concentrée et une purification. Le 
composé 4+ est alors

obtenu. Cette étape de déprotection convertit un alcool protégé R-OTTIPS en 
alcool libre R-OH.

On donne dans le tableau ci-dessous quelques énergies moyennes de liaison.

C-H

O-Si

Si-Si

O-H

Si-F

< E liaison >

413

398

222

366

610

(kJ mol ')

42. Donner la structure du composé 4+. Proposer une équation de la réaction 
chimique rendant
compte de sa formation et, à partir des données, justifier le choix de l'ion 
fluorure pour cette
déprotection.

Le composé 4+ est alors soumis aux conditions de réaction de la Figure 7. Après 
lavage par une
solution saline aqueuse concentrée et purification, le composé 5+ est obtenu.

Les signaux suivants sont relevés sur le spectre de RMN 'H du composé 5+ 
effectué dans CDCH.
Au voisinage d'atomes de carbone stéréogènes, les signaux correspondant à des 
hydrogènes portés

par un même atome de carbone peuvent parfois présenter des déplacements 
chimiques différents.

es | Déplacement chimique Nature du signal et .
Référence du signal ' Intégration
(ppm) couplage éventuel (Hz)
A 0,60 t (7,2) 3
B 1,81-2,16 m D
C 2,68 t (13,6) 1
D 3,61-3,72 m 2
E 3,72-3,81 m 1
F 3,87 S 3
G 3,93-4,03 m 4
H 7,16-8,11 m 4

43*, Donner la structure du composé 5+ et écrire le mécanisme réactionnel de la 
transformation

D+ > 6+.

44, Préciser les propriétés que doit respecter le solvant dans cette 
transformation.

12/17

45. Reproduire la structure du composé 5+ et attribuer les signaux À, D, F et 
H. Proposer une
attribution pour les signaux E et G.

Du bromure d'allyle-magnésium est, par la suite, ajouté à une solution de 
composé 5+ dans le
tétrahydrofurane. Après réaction, le milieu réactionnel est traité par une 
solution aqueuse de
chlorure d'ammonium, puis purifié. Cette transformation est diastéréosélective 
et aboutit au produit
6+.

46. Justifier la chimiosélectivité de la transformation 5+ = 6+.

La structure spatiale la plus stable des deux énantiomères du composé 5+ peut 
être représentée,
selon l'énantiomère retenu, sous l'une des formes présentées sur la Figure 8.

à

RS

Figure 8 : représentations abrégées de la structure spatiale des énantiomères 
du composé 5

47*, Recopier la structure spatiale cohérente avec l'énantiomère retenu du 
composé 5+ en précisant
les groupes R', R°, R°, R° et R°. Proposer un mécanisme réactionnel décrivant 
la transformation
5+ > 6+ en faisant apparaître clairement les aspects stéréochimiques.

48. Justifier le fait que le composé 6 est toujours présent sous la forme d'un 
mélange racémique.

La suite de la synthèse est présentée sur la Figure 9.

NalO, ; OsO,
H3C ou CH3
B(C.F.); ; (CH.),SIiCN SL
G+ > 7+ té 8+
CH,CI, dioxane/eau
--29 CG, en LA fn
NaBH, HCI (2 mol L"?)
8+ > 9+ cl 10+
MeOH/THF THF/H,0
0°C, 10 min. 45°C, 4,5h

Figure 9 : étapes intermédiaires de la synthèse du composé 15
Le composé 7+ est formé par réaction du composé 6+ avec B(C&F;): et 
(CH:):3Si-CN (noté dans la

suite TMS-CN), suivie d'une hydrolyse par une solution saline aqueuse 
concentrée. Cette
transformation est stéréospécifique.

13/17
49. Donner une structure de Lewis de B(C&F;); faisant apparaître d'éventuels 
doublets non-liants et
lacunes électroniques. En déduire la réactivité de cette molécule et préciser 
le rôle des atomes de
fluor.

50%. Justifier le fait que TMS-CN peut être considéré comme un donneur d'ions 
cyanure, CN.
Proposer alors un mécanisme réactionnel pour la transformation 6+  7+ en tenant 
compte de la
stéréochimie de la transformation et donner la structure du composé 7+.

Le composé 7+ est placé dans les conditions du schéma de réaction présenté sur 
la Figure 9, puis est
hydrolysé par une solution de thiosulfate de sodium. Après purification, le 
composé 8+ est isolé. Ce
composé est ensuite soumis à l'action de tétrahydruroborate de sodium, suivie 
d'une hydrolyse par
une solution de chlorure d'ammonium. Le composé 9+ est par la suite isolé.

51. Donner la structure du composé 8+. Préciser le rôle de chacune des espèces 
ajoutées dans le
milieu et les conditions expérimentales les plus appropriées pour cette 
transformation.

52. Préciser la chimiosélectivité de la transformation conduisant au produit 9+ 
et en déduire la
structure de ce composé.

Le composé 9+ est par la suite dissous dans du THE, et de l'acide chlorhydrique 
(2 mol L) est
ajouté. Après réaction et hydrolyse par une solution de sulfate de sodium, le 
composé 10+ est
obtenu.

53. Donner la structure du produit 10+.

54. Discuter, du point de vue de la stratégie de synthèse, l'intérêt de la 
conversion 4+ + 5+, ainsi
que l'ordre des étapes conduisant du composé 6+ au composé 10+.

Le composé 10+ est soumis à plusieurs étapes de conversion (non étudiées dans 
ce problème) qui
aboutissent au composé 11+. La suite de la synthèse est décrite sur la Figure 
10.

Le composé 11+ est converti en deux étapes (hors hydrolyses éventuelles) en 
12+. Dans les
meilleures conditions étudiées, le rendement est de 49 %, en raison de la 
formation deux produits
secondaires principaux notés 13+ et 14+. Dans la plupart des conditions 
étudiées lors de
l'élaboration de la synthèse, le composé 13+ était prédominant par rapport au 
composé 12+. Le
composé 14+ ne sera pas étudié dans ce problème.

14/17

" dl
12+
OH ! OMs
COOEt
114 OMs : OSO,CH,
12+ ----__+Ù 15+
COOMe
COOMe

Figure 10 : dernières étapes de la synthèse du composé 15

55. Proposer des réactifs permettant de préparer le composé 12+. Si la 
proposition envisagée
comporte plus de deux étapes, les décrire.

56. Sachant que le composé 13+ se forme par des mécanismes réactionnels très 
proches de ceux
conduisant à la formation du produit 12+, proposer une structure pour le 
composé 13+.

Un composé comprenant un groupe nitrile (R--CN) peut être hydrolysé sans autre 
modification de la
chaïne carbonée en acide carboxylique (R---COOH) dans des conditions que l'on 
notera « hydrolyse
nitrile » et que l'on n'explicitera pas. Cette « hydrolyse nitrile » n'affecte 
pas d'autres groupes
caractéristiques présents dans les différents intermédiaires de cette synthèse.

57. Proposer une voie de synthèse, utilisant en particulier les conditions « 
hydrolyse nitrile »,
permettant de préparer le composé 15+ à partir du composé 12+.

58. Le composé 15+ est ici obtenu sous forme d'un mélange racémique. Expliquer 
le principe d'une

procédure permettant de l'obtenir sous forme énantiomériquement pure. 
Déterminer à quel stade (à
partir du composé 11+) cette procédure pourrait être appliquée pour un maximum 
d'efficacité.

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Données

1. RMN 'H : déplacements chimiques (en ppm par rapport au signal du
TMS)

phénols
Se alcools --
alcènes I D
aromatiques ii. alcynes mu
EEE acides carboxyliques CH--NR; pis CHr--SiR: LL
mu ldéhydes CH---OR = Ci cétones 5
D» | CH--CRI a

110 100 9,0 80 70 60 50 40 30 5 7 10 00

2. Valeurs typiques de pK;

Fonction acide du couple acide/base Valeurs typiques (extrapolées si > 14)
Acide carboxylique 3,0 -- 5,0

Phénol 8,0 -- 10,5

Ammonium 9,0 -- 11,0

Thiol 10,0 -- 13,0

Alcool 16,0 -- 18,0

Amine 25,0 -- 40,0

Alcane 40,0 -- 55,0

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3. Tableau périodique des éléments : numéro atomique et symbole

H He
3 4 5 6 7 8 9 10
Li | Be B|IC|IN|O|F Ne
11 12 13 14 15 16 17 18
Na | Mg AISil P|S |CI | Ar
19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
K | Ca! Sc} Ti V | Cr Mn Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr
37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54
Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo Tec | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te | I 
| Xe
55 56 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86
Cs | Bal " | Hf| Ta W | Re | Os | Ir | Pt | Au | He | T1 | Pb | Bi | Po | At | 
Rn
87 88 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118
Fr | Ra |" | Rf | Db | Se | Bh | Hs | Mt | Ds | Re | Cn | Nh | F1 | Mc Lv | Ts 
| Og

57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
* | La | Ce | Pr | Nd | Pm | Sm Eu | Gd | Tb Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
"| Ac | Th | Pa | U | Np | Pu |Am|Cm|Bk | Cf | Es | Fm Md|No |1r

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Extrait du corrigé obtenu par reconnaissance optique des caractères



X/ENS Chimie PC 2020 -- Corrigé
Ce corrigé est proposé par Christelle Novoa-Serba (professeur en CPGE) ; il a
été relu par Alexandre Herault (professeur en CPGE) et Augustin Long (professeur
en CPGE).

Le sujet est divisé en deux parties indépendantes, la première portant sur la 
chimie
générale et la deuxième sur la chimie organique.
La première partie s'intéresse à la synthèse d'un complexe de platine(II).
· Tout d'abord, la structure électronique du complexe, modélisé par PtH4 - , est
étudiée par interaction d'orbitales de fragments.
· Les propriétés acido-basiques du ligand L-cystéine sont analysées, notamment
par l'intermédiaire d'un titrage acido-basique. Les questions s'orientent 
ensuite
sur les conditions de la deuxième étape de la synthèse du complexe.
· La stoechiométrie du complexe est ensuite déterminée par la méthode des 
variations continues qui exploite l'évolution de l'absorbance en fonction des 
concentrations initiales.
· La dernière sous-partie porte sur l'étude cinétique de la dernière étape de la
synthèse du complexe. L'étude des grandeurs d'activation permet finalement
de proposer un mécanisme pour cette étape.
La seconde partie du sujet étudie de manière approfondie la synthèse organique
d'un alcaloïde aux propriétés pharmaceutiques intéressantes. Les questions 
visent à
analyser les différentes étapes en demandant non seulement la structure de 
l'intermédiaire obtenu mais également le mécanisme de sa formation, ainsi que 
la justification
de la sélectivité le cas échéant. Il est également demandé de justifier les 
choix stratégiques mis en place ainsi que de proposer plusieurs séquences 
réactionnelles pour
finir la synthèse. Un large panel de réactions sont ainsi analysées.
Le sujet est globalement abordable. Des questions, quelques fois simples en 
apparence, demandent toutefois un raisonnement subtil et approfondi et donc une 
bonne
maîtrise du cours. La première partie nécessite principalement des notions de 
première année (chimie en solution aqueuse, cinétique) tandis que la seconde 
balaie les
principaux thèmes de chimie organique des deux années de CPGE.

Indications
Partie A
3 Attention à étudier suffisamment d'opérations de symétrie. Vérifier que la 
liste
des interactions possibles obtenues est correcte en analysant les recouvrements.
10 Étudier l'évolution de la concentration de tous les ions présents en 
quantité non
négligeable.
12 Utiliser les données fournies par l'énoncé et analyser les sous-produits de 
la transformation B  C.
15 Exploiter le fait qu'un des réactifs est introduit en large excès par 
rapport à l'autre
et que la constante de formation du complexe est grande.
20 Revenir sur les hypothèses faites aux questions 15 et 16.
21 La cystéine est un ligand bidenté qui possède trois sites de coordination 
possibles.
26 Déterminer la vitesse de formation de l'intermédiaire de I2 en ne prenant en
compte que les deux première étapes.
28 Utiliser la réponse à la question 27. On doit obtenir une équation 
différentielle du
premier ordre avec second membre.
29 Exprimer la vitesse de formation de D d'après le mécanisme.
30 Un des termes en exponentiel devient négligeable devant l'autre à partir d'un
certain temps.
Partie B
37 La double liaison C=C est formée par crotonisation.
39 Comment évolue l'équilibre entre 2 et 2' au cours de la transformation 2  3 ?
+ fournie dans
40 La régiosélectivité de la réaction est donnée par la structure de 6 -
la figure 7.

42 Donner le composé le plus stable issu de la protonation du produit de la 
déprotection.
43 Il y a probablement une erreur d'énoncé. Il faut donner le mécanisme 
modélisant
+  5 +.
la transformation 4 -
-
50 L'alcool est préalablement activé sous forme de groupement partant.
+  12 + s'effectue en milieu basique. Quel autre proton
56 La transformation 11 -
-
+?
acide possède le composé 11 -

57 Pour séparer des énantiomères, qui présentent donc les mêmes propriétés 
physicochimiques, il faut les transformer (de manière renversable) en 
diastéréoisomères.

Publié dans les Annales des Concours

A. Synthèse d'un complexe de platine(II)
1 D'après la règle de Klechkowski, le principe de Pauli et la règle de Hund, la
configuration électronique du platine (Z = 78) dans son état fondamental est
Pt : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f 14 5d8
L'ion platine(II) est formé en arrachant les électrons les plus externes, 
c'est-à-dire
ceux de l'orbitale 6s. La configuration de l'ion platine(II) dans son état 
fondamental
est donc
Pt2+ : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s0 4f 14 5d8
2 Les orbitales moléculaires (OM) sont d'autant plus hautes en énergie qu'elles
présentent un nombre important de surfaces nodales. L'OM 1 ne possède aucune
surface nodale, les OM 2 et 3 possèdent un plan nodal et l'OM 4 possède deux
plans nodaux. Notons que les OM 2 et 3 sont issues d'un recouvrement identique
entre deux orbitales s et sont donc de même énergie (2 se déduit de 3 par une
rotation d'axe Oz et d'angle /2). Les OM respectent alors le classement 
énergétique
1 < 2 = 3 < 4 3 Les orbitales d du platine sont représentées ci-après. z x y dz2 dx2 -y2 dxy dxz dyz Deux orbitales interagissent si elles présentent la même symétrie, c'est-à-dire si elles possèdent le même comportement de parité vis-à-vis d'opérations de symétrie. Étudions alors la parité des orbitales d du platine et des OM de H4 face aux différents plans de symétrie que présentent le complexe. On notera P1 et P2 les deux plans bissecteurs des axes Ox et Oy. xOy xOz yOz P1 P2 1 S S S S S 2 S S A 3 S A S 4 S S S A A dz2 S S S S S dx2 -y2 S S S A A dxy S A A S S dxz A S A dyz A A S Les OM qui ont même symétrie et qui peuvent donc interagir sont · dz2 et 1 ; · dx2 -y2 et 4 . Notons que les OM 2 et 3 n'interagissent pas avec les orbitales d du platine. L'utilisation des règles de symétrie pour déterminer les interactions possibles est très délicate. Il suffit de trouver une opération de symétrie pour laquelle deux orbitales n'ont pas même parité pour en déduire qu'elles n'interagissent pas ensemble. Par contre, il faut que deux orbitales aient même parité pour toutes les opérations de symétrie pour en déduire qu'elles interagissent, ce qui implique de lister toutes les opérations de symétrie sans en oublier aucune. Il est bien sûr possible et recommandé de réaliser un tableau de recouvrement pour vérifier les résultats obtenus avec l'étude des symétries. Cette méthode fonctionne dans tous les cas et reste clairement à privilégier sauf indication contraire de l'énoncé, comme c'est le cas ici. 4 Étudions la parité des orbitales p et s du platine et des OM 2 et 3 de H4 face aux différents plans de symétrie que présente le complexe. xOy xOz yOz 2 S S A 3 S A S s S S S pz A S S py S A S px S S A Les OM qui ont même symétrie et qui peuvent donc interagir sont · px et 2 ; · py et 3 . Les orbitales 2 et 3 n'interagissent pas avec les orbitales s et pz du platine. 5 La L-cystéine libre et la L-cystéine acétylée comportent une fonction acide carboxylique appartenant au couple acido-basique RCOOH/RCOO- et qui présente la plus petite valeur de pKa. 6 Les valeurs de pKa mesurées, 1,9 et 3,2 pour la L-cystéine libre et la L-cystéine acétylée respectivement, sont faibles par rapport aux valeurs habituellement observées pour le couple RCOOH/RCOO- qui se situent entre 4 et 5. Cette différence est due au caractère électroattracteur de l'atome d'azote placé sur le carbone en alpha du groupement carboxyle qui permet de stabiliser la charge négative du carboxylate. On peut également envisager la présence d'une liaison hydrogène intramoléculaire entre l'oxygène du carboxylate et le proton porté par l'azote qui stabilise le carboxylate et diminue alors son pKa. 7 L'atome d'azote est particulièrement électroattracteur dans la L-cystéine libre puisqu'il est chargé positivement contrairement à celui de la L-cystéine acétylée. La charge négative du carboxylate est d'autant plus stabilisée dans le premier cas, ce qui explique une valeur de pKa plus faible (1,9 contre 3,2). 8 À l'aide des données fournies en annexe, attribuons tout d'abord les pKa de la L-cystéine aux différents couples acido-basiques : O H · pKa1 = 1,9 correspond au couple RCOOH/RCOO- ; O S + · pKa2 = 9,1 correspond au couple RNH3 /RNH2 ; - · pKa3 = 10,3 correspond au couple RSH/RS . N H H H La forme prédominante de la L-cystéine à pH = 4 est représentée ci-contre. 9 La courbe de titrage présente un premier saut de pH net à Véq1 = 2,0 mL puis un second saut peu discernable vers Véq2 = 6 mL. Analysons les différentes réactions pouvant se produire au cours du titrage. La L-cystéinium possède trois groupements acides qui réagissent avec la soude versée tout au long du titrage.