Métropole 09/2013 EXERCICE CHIMIE AUTOUR DE L ASPARTAME (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 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 : COOH H 5 C 6 1.1. Recopier la formule de la phénylalanine puis entourer et nommer les groupes fonctionnels présents dans la molécule. 1.2. Justifier son appartenance à la famille des acides aminés. 1.3. Identifier l atome de carbone asymétrique. Comment peut-on alors qualifier une telle molécule? 1.4. Donner les représentations de Cram des deux énantiomères de la phénylalanine. 1.5. Parmi les spectres IR proposés dans le document 1 donné en ANNEXE, choisir en justifiant celui correspondant à la phénylalanine. NH 2 2. L acide aspartique La formule de l acide aspartique est HOOC : COOH NH 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. Type de proton (ppm) R-CH 2 -CO-R 2,0 4,0 R-COOH 9,5 13 R-NH 2 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. 2.1. Donner la formule semi-développée de l acide aspartique. 2.2. Justifier la présence de quatre signaux présents dans le spectre RMN de l acide aspartique. 2.3. Attribuer les signaux observés à chaque hydrogène (ou groupes d hydrogènes équivalents) de la molécule d acide aspartique. 2.4. Interpréter la multiplicité des pics pour le triplet à 3,8 ppm. DS02 M. Brasseur Lycée Montaigne Mulhouse Année scolaire 2013/2014 Page 1
3. Synthèse d un dérivé de la phénylalanine. La littérature scientifique permet d obtenir les informations suivantes : Document 1. Protocole 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 d un réactif A 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 réactif A 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%. Document 2 : informations concernant différentes espèces chimiques Phénylalanine Pictogramme Mentions de danger Tarif en 2012 16,90 les 25 g Réactif A Triméthylchlorosilane Chlorurede thionyle Acide sulfurique 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. 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. Nocif par inhalation. Nocif en cas d ingestion. Provoque des brûlures de la peau et des lésions oculaires graves. Peut irriter les voies respiratoires. Provoque des brûlures de la peau et des lésions oculaires graves. 10,90 le litre 23,30 les 100 ml 22,90 les 100 ml 8,80 le litre 3.1. 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. DS02 M. Brasseur Lycée Montaigne Mulhouse Année scolaire 2013/2014 Page 2
On se propose de préparer au laboratoire le dérivé de la phénylalanine en adaptant le protocole n 3 au matériel disponible au laboratoire. L équation de la réaction est donnée ci-dessous : Phénylalanine A Dérivé de la Phénylalanine 3.2. Recopier la formule du dérivé de la phénylalanine. Y faire apparaître la fonction qui distingue ce produit de la phénylalanine. Quelle famille est mise en évidence? 3.3. Quel est le nom du réactif A? A quelle famille appartient-il? 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. Après plusieurs étapes, on recueille au final une masse m = 11,4 g du dérivé de la phénylalanine. 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 3.4. En analysant la nature des réactifs utilisés, quelles sont les précautions opératoires à respecter impérativement pour mettre en œuvre ce protocole? 3.5. Calculer les quantités de matière introduite des deux réactifs. Bien détailler les calculs. 3.6. En déduire en fin de réaction (à l aide d un tableau d avancement si nécessaire), les quantités de matière restantes des deux réactifs et la quantité de matière obtenue du dérivé de la phénylalanine en fin de réaction. 3.7. Évaluer le rendement de cette synthèse organique en expliquant la démarche suivie. 4. Synthèse de l aspartame Au final, l acide aspartique et le dérivé de la phénylalanine réagissent entre eux pour former l aspartame dont la formule est donnée ci-dessous : C O 6 H 5 HOOC NH 2 4.1. Donner le nom du groupe caractéristique qui a été créé lors de la synthèse de l aspartame. NH O O CH 3 DS02 M. Brasseur Lycée Montaigne Mulhouse Année scolaire 2013/2014 Page 3
Amérique du Nord 06/2013 EXERCICE PHYSIQUE SURFER SUR LA VAGUE (10 Points) La houle est un train de vagues régulier généré par un vent soufflant sur une grande étendue de mer sans obstacle, le fetch. En arrivant près du rivage, sous certaines conditions, la houle déferle au grand bonheur des surfeurs! Les documents utiles à la résolution sont rassemblés en ANNEXE. Donnée : intensité de la pesanteur : g = 9,8 m.s -2. 1. La houle, onde mécanique progressive 1.1. Pourquoi peut-on dire que la houle est une onde mécanique progressive? 1.2. Il est possible de simuler la houle au laboratoire de physique avec une cuve à ondes en utilisant une lame vibrante qui crée à la surface de l eau une onde progressive sinusoïdale de fréquence f = 23 Hz. On réalise une photographie du phénomène observé (document 1). Déterminer, en expliquant la méthode utilisée, la vitesse de propagation v de l onde sinusoïdale générée par le vibreur. 1.3. Au large de la pointe bretonne, à une profondeur de 3000 m, la houle s est formée avec une longueur d onde de 60 m. En utilisant le document 2, calculer la vitesse de propagation v 1 de cette houle. En déduire sa période T. 1.4. Arrivée de la houle dans une baie. 1.4.1. Sur la photographie aérienne du document 3, quel phénomène peut-on observer? Quelle est la condition nécessaire à son apparition? 1.4.2. Citer un autre type d onde pour laquelle on peut observer le même phénomène. 2. Surfer sur la vague La houle atteint une côte sablonneuse et rentre dans la catégorie des ondes longues. 2.1. Calculer la nouvelle vitesse de propagation v 2 de la houle lorsque la profondeur est égale à 4,0 m, ainsi que sa nouvelle longueur d onde λ 2. Les résultats obtenus sont-ils conformes aux informations données dans le document 4? 2.2. Pour la pratique du surf, la configuration optimale est : - à marée montante c'est-à-dire entre le moment de basse mer et celui de pleine mer ; - avec une direction du vent venant du Sud-Ouest. Un surfeur consulte au préalable un site internet qui lui donne toutes les prévisions concernant le vent, la houle et les horaires des marées (document 5). Proposer en justifiant, un créneau favorable à la pratique du surf entre le jeudi 21 et le samedi 23 juin 2012. 2.3. Un autre phénomène très attendu par les surfeurs, lors des marées importantes est le mascaret. Le mascaret est une onde de marée qui remonte un fleuve. Cette onde se propage à une vitesse v de l ordre de 5,1 m.s -1. Le passage du mascaret étant observé sur la commune d Arcins à 17h58, à quelle heure arrivera-t-il à un endroit situé à une distance d = 13 km en amont du fleuve? DS02 M. Brasseur Lycée Montaigne Mulhouse Année scolaire 2013/2014 Page 4
Document 1 : ANNEXE CHIMIE Spectre IR n 1 Spectre IR n 2 Document 2: bandes d absorption en spectroscopie IR DS02 M. Brasseur Lycée Montaigne Mulhouse Année scolaire 2013/2014 Page 5
ANNEXE PHYSIQUE Document 1 : Simulation de la houle au laboratoire avec une cuve à ondes. Document 2 : Vitesse de propagation des ondes à la surface de l eau. - cas des ondes dites «courtes» (en eau profonde) : longueur d onde λ faible devant la profondeur h de l océan (λ < 0,5 h) g. v 2 - cas des ondes dites «longues» (eau peu profonde) : longueur d onde λ très grande devant la profondeur de l océan (λ > 10h) g est l intensité du champ de pesanteur terrestre. v gh. Document 3 : Photographie aérienne de l arrivée de la houle dans une baie. D après http://ifremer.fr/ Document 4 : Déferlement des vagues sur la côte En arrivant près de la côte, la houle atteint des eaux peu profondes. Dès que la profondeur est inférieure à la moitié de la longueur d onde, les particules d eau sont freinées par frottement avec le sol. La houle est alors ralentie et sa longueur d onde diminue. Ces modifications des caractéristiques de l onde s accompagnent d une augmentation d amplitude. La période est la seule propriété de l onde qui ne change pas à l approche de la côte. Ainsi en arrivant près du rivage, la vitesse des particules sur la crête est plus importante que celle des particules dans le creux de l onde, et lorsque la crête n est plus en équilibre, la vague déferle. DS02 M. Brasseur Lycée Montaigne Mulhouse Année scolaire 2013/2014 Page 6
D après http://ifremer.fr/ Document 5 : Prévisions maritimes. GFS 21.06.2012 00 UTC Je Je Je Je Je Je Ve Ve Ve Ve Ve Ve Sa Sa Sa Sa Sa Sa 21 21 21 21 21 21 22 22 22 22 22 22 23 23 23 23 23 23 05h 08h 11h 14h 17h 20h 05h 08h 11h 14h 17h 20h 05h 08h 11h 14h 17h 20h 4 7 16 23 21 21 17 15 15 15 15 12 10 10 10 13 14 15 5 10 25 28 28 28 23 21 18 19 18 15 13 13 12 15 18 21 0.7 0.7 0.9 1.3 1.7 2.1 2.6 2.6 2.6 2.4 2.3 2.2 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 6 7 4. 6 6. 6 7 8 8 8 8 8 8 7 7 7 7 7 13 14 14 14 15 14 14 14 15 15 15 14 13 14 15 16 16 15 Tableau des marées Juin 2012 Jour Pleine mer Basse mer (h :min) (h :min) Jeudi 21 juin 06 :54 19 :08 00 :58 13 :10 Vendredi 22 juin 07 :31 19 :44 01 :34 13 :46 Samedi 23 juin 08 :08 20 :22 02 :10 14 :24 Dimanche 24 juin 08 :47 21 :02 02 :49 15 :04 D après http://www.windguru.cz/fr/ DS02 M. Brasseur Lycée Montaigne Mulhouse Année scolaire 2013/2014 Page 7