Oui
Acide-base
Titrage
Synthèse organique
Sujet Bac Corrigé - Aspartame : titrage et mécanisme - Nouvelle-Calédonie 2025 Jour 2 - Ex 1 - Corrigé (Physique-chimie)
1 juin 2025
Terminale spécialité
🍬 Comment fabrique-t-on l'aspartame, cet édulcorant présent dans de nombreuses boissons ? L'exercice 1 du bac 2025 de physique-chimie en Nouvelle-Calédonie (jour 2), sur 9 points, suit sa synthèse pas à pas.
- L'acide aspartique : diagrammes de prédominance et de distribution, lecture d'un pKA, espèce amphotère.
- Le titrage pH-métrique : schéma du montage, méthode des tangentes et masse d'acide dans l'échantillon.
- La phénylalanine méthylée et le mécanisme : taux d'avancement, sites donneur et accepteur, flèches courbes et protection de groupes.
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Fiche de cours
Acide-base — Terminale spécialité physique-chimie
L'essentiel du cours, les formules et les méthodes utiles pour cet exercice, sur une page gratuite.
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Q1Tracer le diagramme de prédominance de l'acide aspartique en faisant apparaître ses quatre formes.
Données utiles pKA1=1,9 ; pKA3=9,6
Indice L'acide d'un couple prédomine pour pH<pKA, sa base pour pH>pKA. On range donc les formes de la plus protonée à la moins protonée. La valeur 3,6 de pKA2 est établie à la question 2.
Plus le pH augmente, plus la forme qui prédomine a perdu de protons. Les frontières entre deux formes successives sont les pKA des trois couples : HX3AspX+/HX2Asp (pKA1), HX2Asp/HAspX− (pKA2) et HAspX−/AspX2− (pKA3).
De gauche à droite sur l'axe des pH : HX3AspX+, HX2Asp, HAspX−, AspX2−, séparées par pKA1=1,9, pKA2 et pKA3=9,6.
Diagramme de prédominance de l'acide aspartique
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Q2Déterminer, en justifiant, la valeur de pKA2.
Données utiles diagramme de distribution (figure 2)
pKA2 est celui du couple HX2Asp/HAspX−. Comme pH=pKA2+log[HX2Asp][HAspX−], on a pH=pKA2 lorsque les deux formes sont en quantités égales.
Sur la figure 2, la courbe de HX2Asp (trait plein) et celle de HAspX− (pointillés) se coupent à l'abscisse pH=3,6.
pKA2=3,6
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Q3Justifier que HX2Asp est une espèce amphotère.
HX2Asp appartient à deux couples acide-base :
- il est la base du couple HX3AspX+/HX2Asp : il peut capter un proton ;
- il est l'acide du couple HX2Asp/HAspX− : il peut céder un proton.
HX2Asp est à la fois un acide et une base : c'est une espèce amphotère.
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Q4Sachant que le pKA d'un acide carboxylique est inférieur à celui d'une amine, représenter la formule topologique de HAspX−, obtenue quand HX2Asp perd un proton.
HX2Asp porte deux groupes capables de céder un proton : le groupe carboxyle −COOH et le groupe −NHX3X+.
Le couple de plus petit pKA est celui de l'acide carboxylique : c'est donc le groupe −COOH qui perd son proton en premier et devient −COO−. Le groupe −NHX3X+ reste intact.
HAspX− : les deux groupes carboxyle sont sous forme −COO− et l'azote reste sous forme −NHX3X+ (charge globale −1).
Formule topologique de HAspX−
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Q5Justifier la forme prédominante de l'acide aspartique dans la solution au début du titrage.
Données utiles pH initial : 2,8 ; pKA1=1,9 ; pKA2=3,6 (Q2)
Au début du titrage, pH=2,8, donc pKA1<pH<pKA2.
D'après le diagramme de prédominance (Q1), ce pH se situe dans le domaine de HX2Asp.
La forme prédominante au début du titrage est HX2Asp.
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Q6Réaliser le schéma légendé du montage du titrage.
Le titrage est suivi par pH-métrie :
- burette graduée contenant la solution titrante d'hydroxyde de sodium, Cb=0,100 mol⋅L−1 ;
- bécher contenant la solution titrée (l'échantillon de 250 mg dissous dans 100 mL d'eau) ;
- agitateur magnétique et barreau aimanté ;
- sonde de pH plongeant dans la solution, reliée à un pH-mètre.
Schéma ci-dessous : burette (solution titrante), bécher (solution titrée), agitation magnétique, pH-mètre.
Montage du titrage suivi par pH-métrie
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L'équivalence est l'état du système pour lequel le réactif titrant et le réactif titré ont été introduits dans les proportions stœchiométriques de la réaction support du titrage. Les deux réactifs sont alors entièrement consommés.
Ici, à l'équivalence : n(HOX−)verseˊ=n(HX2Asp)initial
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Q8Déterminer graphiquement, à l'aide de la figure 3 de l'annexe, le volume équivalent VE de solution d'hydroxyde de sodium.
Indice Laisser les traits de construction visibles sur l'annexe et la rendre avec la copie : c'est le tracé qui justifie la valeur lue.
On applique la méthode des tangentes parallèles sur la courbe pH=f(VB) :
- on trace deux tangentes parallèles entre elles, de part et d'autre du saut de pH ;
- on trace la droite parallèle à ces tangentes et équidistante des deux ;
- cette droite coupe la courbe au point d'équivalence, dont on lit l'abscisse.
VE=9,8 mL
VE=9,8 mLpHVB (mL) Figure 3 complétée : deux tangentes parallèles, la parallèle équidistante (tirets) et le point d'équivalence (VE=9,8 mL, pHE≈6,9)
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Q9Calculer la masse d'acide aspartique contenue dans l'échantillon.
Données utiles Cb=0,100 mol⋅L−1 ; VE=9,8 mL (Q8) ; M(HX2Asp)=133 g⋅mol−1
À l'équivalence (Q7) : n(HX2Asp)initial=n(HOX−)verseˊ=Cb×VE.
Tout l'échantillon a été dissous et titré, donc m=n(HX2Asp)initial×M(HX2Asp) :
m=Cb×VE×M(HX2Asp)
m=0,100×9,8×10−3×133=0,13 g
m=0,13 g, soit environ 1,3×102 mg
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Q10Nommer les groupes caractéristiques A et B entourés sur la figure 4.
Le groupe A est un enchaînement −CO−O−C : un carbone doublement lié à un oxygène et lié à un second oxygène, lui-même lié à un carbone. Le groupe B est un azote lié à un carbone et à deux hydrogènes.
A : groupe ester ; B : groupe amine.
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Q11Justifier, à partir de la structure de R−NHX2, son caractère basique au sens de Brønsted.
Une base de Brønsted est une espèce capable de capter un proton HX+.
L'atome d'azote de R−NHX2 porte un doublet non liant (le trait placé au-dessus de N dans la notation du sujet). Ce doublet peut former une liaison covalente avec un proton HX+, qui n'a pas d'électron.
Grâce au doublet non liant de l'azote, R−NHX2 peut capter un proton : c'est une base de Brønsted.
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Q12En déduire la formule de l'acide conjugué de R−NHX2.
L'acide conjugué s'obtient en ajoutant un proton à la base : R−NHX2+HX+=R−NHX3X+.
Acide conjugué : R−NHX3X+ (couple R−NHX3X+/R−NHX2)
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Q13Établir l'équation de la réaction de la phénylalanine méthylée avec l'eau.
Données utiles couples R−NHX3X+/R−NHX2 (Q12) et HX2O/HOX−
Indice Écrire les deux demi-équations, puis les additionner pour que le proton échangé disparaisse. Vérifier la conservation des charges : 0 à gauche, +1−1=0 à droite.
La base R−NHX2 réagit avec l'eau, qui joue le rôle d'acide (couple HX2O/HOX−) :
- R−NHX2+HX+=R−NHX3X+
- HX2O=HOX−+HX+
R−NHX2(aq)+HX2O(l)R−NHX3X+(aq)+HOX−(aq)
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Q14Calculer le taux d'avancement final τ et conclure sur la force de la base, la phénylalanine méthylée.
Données utiles V=1,00 L ; c=1,00×10−1 mol⋅L−1 ; pH=12,9 ; Ke=1,0×10−14 ; c∘=1,0 mol⋅L−1
Indice Question ouverte : annoncer la démarche (définition de τ, lien entre pH et [HOX−]), établir l'expression littérale, puis calculer. Même inachevée, une démarche écrite rapporte des points.
D'après l'équation de la question 13, l'avancement final est xf=n(HOX−)f=[HOX−]f×V.
L'eau est en excès : si la réaction était totale, xmax=c×V. Donc
τ=xmaxxf=c[HOX−]f
Le pH donne [HX3OX+]f=c∘×10−pH, et le produit ionique de l'eau Ke=(c∘)2[HX3OX+]f×[HOX−]f donne :
[HOX−]f=10−pHKe×c∘=10−12,91,0×10−14=7,9×10−2 mol⋅L−1
τ=1,00×10−17,9×10−2=0,79
τ<1 : la réaction avec l'eau n'est pas totale.
τ=0,79, soit 79 % : la phénylalanine méthylée est une base faible.
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Q15Identifier, en expliquant, la catégorie de cette transformation : oxydoréduction, acide-base, addition, élimination ou substitution.
Indice Addition : des atomes s'ajoutent sur une liaison multiple, un seul produit. Élimination : des atomes partent et une liaison multiple se crée. Substitution : un atome ou un groupe en remplace un autre, deux réactifs et deux produits.
On compare les réactifs et les produits de la figure 1 : sur l'atome de carbone du groupe carboxyle de l'acide aspartique, le groupe −OH a été remplacé par le groupe −NH− apporté par la phénylalanine méthylée. Le groupe −OH parti se retrouve dans la molécule d'eau formée.
Un groupe d'atomes a pris la place d'un autre sur le même carbone.
La transformation est une substitution.
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Q16Sur l'étape 1 de la figure 5 de l'annexe, faire apparaître les sites donneurs et accepteurs de doublet d'électrons des réactifs.
Données utiles χ(C)=2,55 ; χ(O)=3,44
Site donneur : l'atome d'azote du groupe amine de la phénylalanine méthylée, qui porte un doublet non liant.
Site accepteur : l'atome de carbone du groupe carboxyle de l'acide aspartique voisin du carbone portant −NHX2. Il est lié à deux atomes d'oxygène, plus électronégatifs que lui (3,44>2,55) : les liaisons C−O et C=O sont polarisées et ce carbone porte une charge partielle δ+.
Donneur : N de la phénylalanine méthylée ; accepteur : C (δ+) du groupe carboxyle de l'acide aspartique.
Étape 1 de la figure 5 : sites donneur et accepteur
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Q17Représenter, sur l'étape 1 de la figure 5, les flèches courbes de l'acte élémentaire conduisant à l'intermédiaire réactionnel.
Deux flèches courbes, chacune partant d'un doublet d'électrons :
- la première part du doublet non liant de l'azote (site donneur) et pointe vers le carbone δ+ (site accepteur) : elle traduit la formation de la liaison C−N ;
- la seconde part de la double liaison C=O et pointe vers l'atome d'oxygène : un doublet de la double liaison devient un doublet non liant de l'oxygène.
On retrouve bien les charges de l'intermédiaire : ⊕ sur l'azote, qui a engagé son doublet, et ⊖ sur l'oxygène, qui en a reçu un.
Flèche 1 : du doublet de N vers C ; flèche 2 : de la liaison C=O vers O.
Étape 1 de la figure 5 complétée : flèches courbes
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Q18Identifier, en justifiant, l'intermédiaire réactionnel de cette synthèse.
Un intermédiaire réactionnel est une espèce formée au cours d'une étape du mécanisme puis consommée dans une étape suivante : il ne figure pas dans l'équation de la réaction.
L'espèce produite par l'étape 1, qui porte une charge ⊕ sur l'azote et une charge ⊖ sur un oxygène, est le réactif de l'étape 2. Elle n'apparaît pas dans l'équation de la figure 1.
L'intermédiaire réactionnel est l'espèce chargée (−NHX2X+− et −O−) formée à l'étape 1 et consommée à l'étape 2.
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Q19Justifier que d'autres intermédiaires réactionnels sont susceptibles de se former.
Les deux réactifs possèdent chacun plusieurs sites réactifs :
- l'acide aspartique a deux groupes carboxyle, donc deux carbones accepteurs : l'azote de la phénylalanine méthylée peut aussi se lier au carbone de l'autre groupe carboxyle ;
- l'acide aspartique possède lui aussi un groupe amine, dont l'azote est un site donneur : il peut attaquer le carbone du groupe ester de la phénylalanine méthylée, ou un carbone de groupe carboxyle d'une autre molécule d'acide aspartique.
Plusieurs couples donneur-accepteur sont possibles : d'autres intermédiaires, donc d'autres produits que l'aspartame, peuvent se former.
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Q20Proposer une stratégie pour s'assurer de la formation de l'aspartame uniquement.
Il faut empêcher de réagir les groupes qui ne doivent pas participer à la synthèse :
- protéger, sur l'acide aspartique, le groupe amine et le groupe carboxyle qui doit rester intact, en les transformant en groupes non réactifs dans les conditions de la synthèse ;
- réaliser la réaction avec la phénylalanine méthylée : seul le groupe carboxyle laissé libre réagit ;
- déprotéger ensuite les deux groupes pour retrouver −NHX2 et −COOH.
Stratégie de protection, puis réaction, puis déprotection des groupes caractéristiques.
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La synthèse de l'aspartame : un exercice de chimie de 9 points
Le premier exercice du bac 2025 de physique-chimie en Nouvelle-Calédonie (jour 2) vaut 9 points, soit près de la moitié de la note. Il prend pour fil conducteur un édulcorant bien connu, l'aspartame, obtenu à partir de l'acide aspartique et de la phénylalanine méthylée. Les 20 questions balaient trois grands chapitres de terminale : les équilibres acide-base, le titrage pH-métrique et la synthèse organique avec son mécanisme réactionnel. Le temps conseillé est d'environ 1 h 35.
Les formes de l'acide aspartique (Q1 à Q5)
On trace d'abord le diagramme de prédominance des quatre formes H₃Asp⁺, H₂Asp, HAsp⁻ et Asp²⁻, rangées de la plus protonée à la moins protonée et séparées par les trois pKA. La valeur de pKA2 se lit sur le diagramme de distribution : c'est l'abscisse du croisement des courbes de H₂Asp et de HAsp⁻, soit 3,6. Le piège consiste à lire le maximum de la courbe de H₂Asp (2,8) ou le premier croisement, qui redonne pKA1 = 1,9.
H₂Asp est amphotère, car il est la base d'un couple et l'acide d'un autre. Pour écrire HAsp⁻, on retire le proton du groupe carboxyle, dont le pKA est le plus faible, et non celui du groupe ammonium. Enfin, au pH initial de 2,8, compris entre pKA1 et pKA2, c'est H₂Asp qui prédomine.
Le titrage pH-métrique (Q6 à Q9)
Le schéma du montage doit nommer la verrerie mais aussi les solutions : solution titrante d'hydroxyde de sodium dans la burette, solution titrée dans le bécher, agitateur magnétique et pH-mètre. Après la définition de l'équivalence, la méthode des tangentes parallèles donne VE = 9,8 mL. On en déduit m = Cb × VE × M = 0,13 g d'acide aspartique. Attention à convertir VE en litres et à ne pas faire intervenir les 100 mL d'eau de dissolution.
La phénylalanine méthylée, une base faible (Q10 à Q14)
Les groupes A et B sont un ester et une amine. Le doublet non liant de l'azote explique le caractère basique de R–NH₂, dont l'acide conjugué est R–NH₃⁺. La question 14, plus ouverte, demande le taux d'avancement final : il faut passer par Ke pour obtenir [HO⁻] = 7,9 × 10-2 mol/L, puis τ = 0,79. Comme τ est inférieur à 1, la base est faible. L'erreur fréquente est de calculer τ avec [H₃O⁺], alors que la réaction produit des ions HO⁻.
Le mécanisme et la stratégie de synthèse (Q15 à Q20)
La transformation est une substitution : le groupe –OH du carboxyle est remplacé par le groupe –NH–. Le site donneur est l'azote de la phénylalanine méthylée, le site accepteur le carbone δ+ du groupe carboxyle. Les flèches courbes partent toujours d'un doublet : du doublet de N vers C, puis de la double liaison C=O vers O. Les dernières questions montrent que d'autres intermédiaires peuvent se former, d'où la nécessité de protéger puis de déprotéger les groupes qui ne doivent pas réagir.
Nos conseils
Cet exercice récompense la précision du vocabulaire : amphotère, équivalence, site donneur, intermédiaire réactionnel. Rédigez les définitions avant les calculs, laissez visibles les tracés sur l'annexe et vérifiez toujours les unités avant de conclure.