Aurélie 18/09/13
 

 

Autour de l'aspartame : synthèse organique, RMN, IR, mécanisme réactionnel, Bac S Métropole septembre 2013.

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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.
La phénylalanine et l'acide aspartique.
La phénylalanine est un acide aminé essentiel : il doit être apporté  par l'
alimentation car l'organisme est incapable de le synthétiser. On donne la formule de la phénylalanine.
Entourer et nommer les groupes caractéristiques ; identifier le carbone asymétrique. Comment peut-on qualifier cette molécule ? Donner les représentations de Cram des deux énantiomères.
Une molécule possédant un carbone asymétrique est chirale.

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.
Sur la figure ci-dessous, indiquer les espèces qui prédominent à pH<2,6 et à pH >9,2.

On donne la formule de l'acide aspartique :
On s'intéresse au spectre RMN du proton de l'acide aspartique. On donne les déplacements chimiques de quelques noyaux d'hydrogène. L'hydrogène concerné est indiqué en gras.
R-CH2-CO-R' : 2,0 - 4,0 ; RCOOH : 9,5 - 13 ; R-NH2 : 1,0 - 5,0.
Le spectre 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.
Attribuer les signaux observés à chaque hydrogène ou groupe d'hydrogènes équivalents de la molécule.
Le singulet large à 11 ppm correspond aux deux protons des groupes carboxyles.
Le singulet très large à 2 ppm correspond aux protons du groupe amine.
Le triplet à 3,8 ppm correspond à : -CH2-CH<
Le doublet à 2,7 ppm correspond à :
-CH2-CH<
Interpréter la multiplicité des pics pour le triplet à 3,8 ppm.
Ce proton n'est pas couplé avec les deux protons du groupe amine voisin.
Ce proton est couplé avec les deux protons du groupe CH2 voisin, d'où un triplet.


.


Synthèse d'un dérivé de la phénylalanine.
Protocole de synthèse.
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 pour 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 h 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 h. 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 h on traite l'huile obtenue. Le rendement de la synthèse est de 67 %.

Informations concernant différentes espèces chimiques.

Pictogramme
Mention de danger
Tarif en 2012
Phénylalanine


16,90 € les 25 g
Méthanol

Liquide et vapeurs très inflammables
Toxique en cas d'ingestion, par inhalation, par contact cutané.
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 30 mL.
Chlorure de thionyle

Nocif par inhalation, 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

Dégager l'(es) avantage(s) et l'(es) inconvénient(s) de chacun des trois protocoles proposés. Consigner les réponses dans un tableau.


Avantages
Inconvénients
Protocole n°1
Bon rendement, la durée du protocole est assez longue mais on opère à température ambiante.
Le méthanol et le triméthylchlorsilane sont très dangereux pour la santé.
Le triméthylchlorosilane est couteux.
Protocole n°2
Bon rendement, la durée du protocole est très longue mais on opère à température ambiante. Le méthanol et le chlorure de thionyle sont très dangereux pour la santé.
Le chlorure de thionyle est couteux.
Protocole n°3
La durée du protocole est courte, l'acide sulfurique est peu couteux.
L'acide sulfurique est corrosif. Le méthanol est dangereux pour la santé.
Le rendement est mauvais.
La dépense énergétique est importante du fait du chauffage à 85°C.

On se propose de préparé au laboratoire l'ester méthylique de la phénylalanine en adoptant 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 4 h puis on laisse refroidir 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, séchée sur du sulfate de sodium anhydre. Après filtration et évaporation du dichlorométhane, on recueille une masse m' = 11,4 g d'ester.
Masse molaire ( g/mol ): phénylalanine : 165 ; méthanol : 32 ; ester : 179.
Masse volumique ( g/mL) : eau : 1,0 ; méthanol : 0,79 ; dichlorométhane : 1,3.
Comparaison des électronégativités : c(O) > c(C).
Quelles sont les précautions opératoires à respecter  pour mettre en oeuvre cette synthèse ?
Port de blouse, gants et lunette de protection ; travailler sous hotte, le méthanol étant toxique par inhalation.
La réaction d'estérification est lente. Comment, dans ce protocole, la transformation chimique a-t-elle été accélérée ?
L'acide sulfurique est un catalyseur. La température est un facteur cinétique, d'où le rôle du chauffage à reflux.
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.
La transformation conduit à un équilibre chimique : dans le milieu réactionnel, on trouvera toujours la phénylalanine, le méthanol et l'ester méthylique de la phénylalanine.
Evaluer le rendement de cette synthèse organique en explicitant la démarche suivie.
Quantités de matière initiales : phénylalanine : 16,5 / 165 = 0,10 mol ; méthanol : 40*0,79 / 32 =0,99 mol ( en large excès).
Dans l'hypothèse d'une transformation totale, on peut espérer obtenir une quantité de matière d'ester égale à 0,10 mol soit 0,10 *179 = 17,9 g.
Rendement : masse réelle / masse théorique : 11,4 / 17,9 =0,64 ( 64 %).
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.
Quelle espèce chimique introduite dans le milieu permet d'apporter les ions H+ nécessaires ?
L'acide sulfurique.
Représenter sur votre copie la formule simplifiée obtenue à l'issue de la première étape et localiser l'atome accepteur de doublets d'électrons de la liaison C=O. Relier par une flèche courbe les sites donneur et accepteur d'électrons afin d'expliquer la formation de la nouvelle liaison.
L'atome de carbone de la liaison C=O est accepteur de doublet d'électrons.




Synthèse de l'aspartame.
Le groupe amino réagit avec le groupe carboxyle suivant :

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.

Donner le nom du groupe caractéristique qui a été créé lors de la synthèse de l'aspartame.
Le groupe -CO-NH- est le groupe amide ou encore appelé liaison peptidique..
Lorsqu'on analyse le milieu réactionnel obtenu à la fin de la synthèse par une chromatographie sur couyche mince ( CCM) on observe plusieurs taches a 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.
L'ester méthylique de la phénylalanine possède un groupe amino et aucun groupe carboxyle.
L'aspartame possède un groupe amino et deux groupes carboxyles.On peut donc obtenir plusieurs dipeptides différents.
L'aspartame possède un groupe amino et un groupe carboxyle : la réaction peut donc conduire à d'autres polypeptides.
Ecrire la formule semi-développée d'une molécule autre que l'aspartame présente dans le milieu réactionnel à la fin de la synthèse.

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 de groupe protecteur noté G' ou G. L'acide aspartique protégé réagit alors avec le dérivé de la phénylalanine protégé pour donner la molécule suivante, notée A.
Ecrire la formule semi-développée de l'acide aspartique protégé.

Que faut-il faire ensuite pour obtenir l'aspartame à partir de A ? Aucune écriture de réaction chimique n'est demandée.
Il faut retirer les deux groupes protecteurs G et G' après avoir isolée A du milieu réactionnel.
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 de l'aspartame au regard de la nature des liaisons formées ou rompues au cours de la transformation chimique.
Liaison
Nombre d'onde ( cm-1)
Intensité
F : forte ; m : moyen.
Espèce
N-H
3300-3500
m( 2 bandes)
amine primaire
N-H
3300 - 3500
m( une bande)
amine secondaire
N-H
3100 -3500
F
amide
C-H
2850-3000 et 1430-1480
F
alcane
O-H
2500 - 3200
F à m(large)
acide carboxylique
C=O
1700 -1725
F
acide carboxylique
C=O
1735 - 1750
F
ester
C=O
1630-1700
F
amide




L'aspartame, l'acide aspartique et l'ester méthylé de la phénylalanine possèdent une fonction amine primaire ( 2 bandes moyenne à 3300- 3500 cm-1). Par contre l'aspartame possède en plus une bande N-H forte  ( amide ) entre 3100 et 3500 cm-1.
La phénylalamine, l'acide aspartique présentent une bande forte ( groupe C=O ) entre 1700 et 1750 cm-1. L'aspartame présentera en plus une bande forte entre 1630 et 1700 cm-1 ( C=O du groupe amide ).
On peut donc s'assurer de la formation de l'aspartame par la spectroscopie IR, à condition de partir de l'acide aspartique protégé.
Mais il vaudrait mieux en plus utiliser la RMN du proton.




  



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