Carnet de bac

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 :

1.1.1. Recopier la formule de la phénylalanine puis entourer et nommer les groupes fonctionnels présents dans la molécule.

1.1.2. Identifier l’atome de carbone asymétrique. Comment peut-on alors qualifier une telle molécule ?

1.1.3. Donner les représentations de Cram des deux énantiomères de la phénylalanine.

1.1.4. Les acides aminés sont des molécules ayant des propriétés à la fois acides et basiques. La forme prédominante de la phénylalanine dépend alors du pH. Recopier la figure ci-dessous et indiquer les structures des espèces qui prédominent à pH < 2,6 et pH > 9,2.

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. L’hydrogène concerné est indiqué en caractère gras.

• 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

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%.

2.1. À l’aide des documents, dégager l’(es) avantage(s) et l’(es) inconvénient(s) de chacun des trois protocoles proposés. Consigner les réponses dans un tableau.

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 = 16,5 g de phénylalanine et un volume V = 40 mL de méthanol.
• On ajoute quelques millilitres d’une solution aqueuse concentrée d’acide sulfurique.
• 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 m’ = 11,4 g d’ester.

2.2. Protocole expérimental

2.2.1. En analysant la nature des réactifs utilisés, quelles sont les précautions opératoires à respecter impérativement pour mettre en œuvre ce protocole ?

2.2.2. La réaction d’estérification est une réaction lente. Comment, dans ce protocole, la transformation chimique a-t-elle été accélérée ?

2.2.3. Dans le cas précis de cette synthèse, justifier l’impossibilité d’évaluer la durée de cette transformation chimique par un suivi par chromatographie sur couche mince.

2.2.4. Évaluer le rendement de cette synthèse organique en expliquant la démarche suivie.

2.3. Mécanisme réactionnel

On utilisera la formule simplifiée ci-contre 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 C=O ce qui augmente la vitesse de la réaction à l’échelle macroscopique.

2.3.1. Quelle espèce chimique introduite dans le milieu réactionnel permet d’apporter les ions H⁺ nécessaires ?

2.3.2. Représenter sur votre copie la formule simplifiée de la molécule obtenue à l’issue de la première étape et localiser l’atome accepteur de doublets d’électrons de la liaison C=O.

2.3.3. Reproduire sur votre copie la première étape du mécanisme réactionnel et relier par une flèche courbe les sites donneur et accepteur d’électrons afin d’expliquer la formation de la nouvelle liaison.

3. Synthèse de l’aspartame

Le groupe amino réagit avec le groupe carboxyle selon l’équation suivante :

3.1. Donner le nom du groupe caractéristique qui a été créé lors de la synthèse de l’aspartame.

3.2. Lorsque l’on analyse le milieu réactionnel obtenu à la fin de la synthèse par une chromatographie sur couche mince (CCM), on observe plusieurs taches à des hauteurs différentes de celles des réactifs. Sachant que l’eau n’apparaît pas sur la plaque de chromatographie, proposer une explication à ce constat expérimental.

3.3. Écrire la formule semi-développée d’une molécule autre que l’aspartame présente dans le milieu réactionnel à la fin de la synthèse.

3.4. Pour synthétiser l’aspartame, la stratégie de synthèse consiste à protéger le groupe NH₂ et l’un des deux groupes COOH de l’acide aspartique à l’aide d’un groupe protecteur noté G’ ou G. L’acide aspartique protégé réagit alors avec le dérivé de la phénylalanine protégé pour donner la molécule suivante :

3.4.1. Écrire la formule semi-développée de l’acide aspartique protégé.

3.4.2. Que faut-il faire ensuite pour obtenir l’aspartame à partir de ce dérivé ? (aucune écriture de réaction chimique n’est demandée)

3.5. En utilisant le tableau ci-dessous et votre sens critique, expliquer s’il est judicieux d’utiliser la spectroscopie infrarouge pour s’assurer de l’obtention d’aspartame au regard de la nature des liaisons formées ou rompues au cours de la transformation chimique.

Table des nombres d’onde