Synthétiser des molécules, fabriquer de nouveaux matériaux
pchT_1309_07_02C
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CORRIGE
France métropolitaine • Septembre 2013
Exercice 2 • 10 points
L'aspartame est un édulcorant artificiel découvert en 1965. C'est un dipeptide obtenu par réaction de l'acide aspartique et d'un dérivé de la phénylalanine, deux acides aminés.
1. La phénylalanine et l'acide aspartique
1 La phénylalanine
La phénylalanine est un acide aminé essentiel : il doit être apporté par l'alimentation car l'organisme est incapable de le synthétiser.
La formule de la phénylalanine est :
Recopier la figure ci-dessous et indiquer les structures des espèces qui prédominent à pH
2 L'acide aspartique
La formule de l'acide aspartique est :
On s'intéresse au spectre de RMN du proton de l'acide aspartique. Le tableau ci-dessous donne les déplacements chimiques de quelques noyaux d'hydrogène. Ces derniers sont indiqués en rouge gras.
| Type de proton | δ(ppm) |
| R-C | 2,0 – 4,0 |
| R-COO | 9.5 – 13 |
| R-N | 1,0 – 5,0 |
Le spectre de RMN de l'acide aspartique présente les signaux suivants :
- singulet large à 11 ppm, intégration 2
- triplet à 3,8 ppm, intégration 1
- doublet à 2,7 ppm, intégration 2
- singulet très large à environ 2 ppm, intégration 2.
2. Synthése d'un dérivé de la phénylalanine
La littérature scientifique permet d'obtenir les informations suivantes (documents 1 et 2).
Protocoles de synthèse du dérivé de la phénylalanine
Protocole n° 1. Utilisation du triméthylchlorosilane
On introduit dans un ballon 10 g de phénylalanine. On additionne lentement, tout en agitant, 15 mL de triméthylchlorosilane. Un volume de 60 mL de méthanol est ensuite ajouté au mélange qui est agité pendant 12 heures à température ambiante. On procède à l'évaporation du solvant afin d'obtenir le produit souhaité.
Le rendement de la synthèse est de 96 %.
Protocole n° 2. Utilisation du chlorure de thionyle
Dans un ballon, 10 g de phénylalanine sont mis en suspension avec 100 mL de méthanol. Sous agitation magnétique, le mélange réactionnel est refroidi à l'aide d'un bain d'eau glacée puis 6 mL de chlorure de thionyle sont ajoutés goutte à goutte. Le mélange est maintenu 24 heures sous agitation à température ambiante. Après évaporation du solvant, le produit obtenu est recristallisé dans un mélange d'éthanol et d'acétate d'éthyle.
Le rendement de la synthèse est de 97 %.
Protocole n° 3. Utilisation de l'acide sulfurique
On introduit dans un ballon 15 g de phénylalanine, 27 mL de méthanol et 5 mL d'acide sulfurique. Le ballon est placé, sous agitation, dans un bain d'eau à 85 ° C pendant 4 heures. Un volume de 125 mL de méthanol est ajouté goutte à goutte au mélange par l'intermédiaire d'une ampoule de coulée. Simultanément, l'excès de méthanol est retiré du mélange. Après 4 heures, on traite l'huile obtenue.
Le rendement de la synthèse est de 67 %.
Informations concernant différentes espèces chimiques
| Espèce chimique | Pictogramme | Mentions de danger | Tarif en 2012 |
| Phénylalanine |
|
| 16,90 € les 25 g |
| Méthanol |
| Liquide et vapeurs très inflammables. Toxique en cas d'ingestion. Toxique par contact cutané. Toxique par inhalation. Risque avéré d'effets graves pour les organes. | 10,90 € le litre |
| Triméthylchlorosilane |
| Liquide et vapeurs très inflammables. Nocif par contact cutané. Provoque des brûlures de la peau et des lésions oculaires graves. Toxique par inhalation. Peut irriter les voies respiratoires. | 23,30 € les 100 mL |
| Chlorure de thionyle |
| Nocif par inhalation. Nocif en cas d'ingestion. Provoque des brûlures de la peau et des lésions oculaires graves. Peut irriter les voies respiratoires. | 22,90 € les 100 mL |
| Acide sulfurique |
| Provoque des brûlures de la peau et des lésions oculaires graves. | 8,80 € le litre |
Consigner les réponses dans un tableau. (1,25 point)
2 Protocole expérimental
On se propose de préparer au laboratoire l'ester méthylique de la phénylalanine en adaptant le protocole n° 3 au matériel disponible au laboratoire. L'équation de la réaction est donnée ci-dessous :
Protocole retenu
On introduit dans un ballon une masse m
On chauffe à reflux pendant quatre heures puis on laisse revenir le mélange à température ambiante.
Une solution d'hydrogénocarbonate de sodium est ensuite versée dans le ballon afin de neutraliser les acides présents dans le milieu réactionnel.
Le mélange est placé dans une ampoule à décanter et l'ester est extrait par du dichlorométhane.
La phase organique est recueillie, lavée et séchée sur du sulfate de sodium anhydre. Après filtration et évaporation du dichlorométhane, on recueille une masse 
Données
- Masses molaires :
|
| Phénylalanine | Méthanol | Ester méthylique de la phénylalanine |
| Masse molaire (g ∙ mol−1) | 165 | 32 | 179 |
- Masses volumiques :
|
| Eau | Méthanol | Dichlorométhane |
| Masse volumique (g ∙ mL−1) | 1,0 | 0,79 | 1,3 |
- Comparaison des électronégativités : χ(O)
> χ(C).
3 Mécanisme réactionnel
On utilisera la formule simplifiée ci-dessous pour la molécule de phénylalanine.
La première étape du mécanisme réactionnel, reproduite ci-dessous, permet d'illustrer le rôle des ions H+ dans la synthèse de l'ester méthylique.
Une fois fixés, les ions H+ permettent d'augmenter le caractère accepteur de doublets d'électrons d'un des atomes de la liaison 
ce qui augmente la vitesse de la réaction à l'échelle macroscopique.
. (0,25 point)
3. Synthèse de l'aspartame
Le groupe amino réagit avec le groupe carboxyle selon l'équation suivante :
Ainsi l'acide aspartique et l'ester méthylique de la phénylalanine réagissent entre eux pour former l'aspartame dont la formule est donnée ci-dessous :
ou G. L'acide aspartique protégé réagit alors avec le dérivé de la phénylalanine protégé pour donner la molécule suivante :
Table des nombres d'onde
| Liaison | Nombre d'onde (cm−1) | Intensité F : fort m : moyen | Espèce |
|
| 3 300-3 500 | m (2 bandes) | Amine primaire |
|
| m (1 bande) | Amine secondaire | |
|
| 3 100-3 500 | F | Amide |
|
| 2 850-3 000 et 1 430-1 480 | F | Alcane |
|
| 2 500-3 200 | F à m (large) | Acide carboxylique |
|
| 1 700-1 725 | F | Acide carboxylique |
|
| 1 735-1 750 | F | Ester |
|
| 1 630-1 700 | F | Amide |
| Ctet : carbone tétravalent Ctri : carbone trivalent. | |||
Notions et compétences en jeu
Représenter des molécules • Connaître les mécanismes réactionnels • Connaître le principe des spectres IR et RMN • Formuler des hypothèses.
Conseils du correcteur
Partie 1
Partie 2
Partie 3
1. La phénylalanine et l'acide aspartique
1 1. Reconnaître des groupes fonctionnels
2. Reconnaître un carbone asymétrique
Le carbone asymétrique est marqué d'un astérisque. Il est relié à 4 groupements différents.
3. Utiliser la représentation de Cram
4. Réaliser un diagramme de prédominance
Les formes acide/base d'un groupement carboxyle sont :
–COOH / –COO-.
Celles du groupe amine sont : – NH3+ / –NH2.
Cela donne donc :
2 1. Interpréter un spectre RMN
Dans la molécule d'acide aspartique, il y a quatre types d'hydrogène différents.
En rouge, un hydrogène sans voisin et sans équivalent mais présent deux fois dans la molécule de type 
.
Cela correspond au singulet large à 11 ppm.
En bleu 2 hydrogènes à 1 voisin : du type 
.
Cela correspond au doublet (1 voisin) à 2,7 ppm.
En vert, 1 hydrogène à 2 voisins : cela correspond au triplet (2 voisins) à 3,8 ppm.
En orange, 2 hydrogènes reliés à un atome d'azote : du type 
. Cela correspond au singulet à 2 ppm.
2. Interpréter un spectre RMN
Puisque l'atome d'hydrogène dessiné en vert a deux voisins (les atomes dessinés en bleu), on voit un triplet sur le spectre RMN.
2. Synthèse d'un dérivé de la phénylalanine
1 Apporter un regard critique sur un protocole
| Protocole | Avantages | Inconvénients |
| Protocole 1 | Le rendement est très bon. | Le triméthylchlorosilane est très toxique. Le procédé est long. |
| Protocole 2 | Le rendement est très bon. | Le chlorure de thionyle est toxique. Le procédé est très long. |
| Protocole 3 | Le procédé est plus court. On n'utilise ni triméthylchlorosilane ni chlorure de thionyle. | Le rendement est plus faible. Le seul solvant utilisé est le méthanol. Le procédé est moins cher. |
2 1. Connaître les consignes de sécurité
D'après la nature des produits utilisés, il faut impérativement mettre des lunettes de protection, des gants et une blouse. Il faut également travailler sous la hotte.
2. Connaître les facteurs cinétiques
Pour accélérer la transformation, on a à la fois placé un catalyseur (l'acide sulfurique) dans le mélange réactionnel mais aussi chauffé le mélange réactionnel. En effet,
3. Connaître les propriétés de l'estérification
L'estérification est une réaction lente et limitée. À l'état final, il restera toujours des réactifs en équilibre avec les produits. Le suivi cinétique par CCM est donc impossible.
4. Évaluer un rendement
Un rendement est, par définition, le rapport entre la quantité de matière de produit obtenu et la quantité de matière de réactif utilisé.
Ici, on peut calculer la quantité de matière de réactif :
n(réactif) 
De même, à l'issue de la réaction :
n(produit) 
Cela correspond donc à un rendement :
3 1. Connaître les propriétés des acides
L'espèce chimique qui permet d'apporter des ions H+ au milieu réactionnel est l'acide sulfurique.
Notez bien
Les flèches courbes des mécanismes réactionnels partent toujours du site donneur d'électrons vers le site accepteur.
2. Localiser un site accepteur d'électrons
Le site accepteur d'électrons est entouré en rouge. L'électronégativité du carbone est plus faible que celle de l'oxygène.
3. Schématiser un mécanisme réactionnel
3. Synthèse de l'aspartame
1 Connaître les groupes caractéristiques
Le groupe formé est un groupe amide (entouré en rouge).
2 Formuler une hypothèse
Lors d'une CCM, des taches apparaissent pour toutes les espèces chimiques présentes dans le mélange réactionnel. Si des taches apparaissent et que ce ne sont pas les réactifs, c'est que ce sont des produits formés lors de la réaction.
3 Émettre une hypothèse
L'acide aspartique possède deux groupements carboxyle. Ils peuvent, l'un comme l'autre, réagir avec l'ester méthylique de la phénylalanine. La molécule formée est représentée ci-dessous :
4 1. Retrouver la formule d'un réactif
La formule de l'acide aspartique est :
Si on protège le groupe amine et l'un des groupes carboxylique, cela donne :
2. Retrouver la formule d'un produit
Pour obtenir de l'aspartame à partir de la molécule obtenue, il faut retirer les groupements protecteurs G et G′.
5 Formuler une hypothèse
Cela semble peu judicieux d'utiliser la spectroscopie IR pour s'assurer de la formation d'aspartame. En effet, la synthèse de l'aspartame correspond à la formation d'un groupement amide à partir de molécules qui comportent des groupes amine, ester et acide carboxylique. Les pics de ces fonctions sont très proches. Le spectre lié à la présence de la fonction amide risque donc de passer inaperçu.
Les parties 1, 2 et 3 sont indépendantes.