Un peu de chimie chez les abeilles

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Economiser les ressources et respecter l'environnement
Type : Sujet complet | Année : 2016 | Académie : Asie


Asie • Juin 2016

Exercice 1 • 5 points • 50 min

Un peu de chimie chez les abeilles

Les thèmes clés

Représentation spatiale des molécules

Analyse spectrale (IR et RMN du proton)

Contrôle de qualité par dosage par étalonnage (spectrophotométrie)

 

1. la communication chez les abeilles 30 min

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Ph© Éric Tourneret/Biosphoto

Deux abeilles sur des cellules de miel

L’absence de détection des sons, le peu de sensibilité au toucher et la déficience de la vue dans l’obscurité de la ruche sont remplacés chez l’abeille par des émissions chimiques comme les phéromones. Ces substances sont produites par tous les individus d’une ruche.

La transmission du message chimique induit un changement de comportement des abeilles qui le perçoivent.

1 La phéromone mandibulaire de la reine

Cette phéromone est composée d’un mélange de cinq espèces chimiques. Une de ces espèces identifiée chez l’abeille domestique, et notamment chez la reine, est l’acide (2E)-9-oxodéc-2-ènoïque dont la formule semi-développée est représentée ci-dessous. Elle assure la cohésion de la colonie en commandant aux ouvrières de nourrir la reine, de la toiletter.

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Acide 9-oxodéc-2-ènoïque

1. Recopier la molécule de l’acide 9-oxodéc-2-ènoïque, encadrer les groupes caractéristiques présents et nommer les familles des fonctions correspondantes. (0,5 point)

2. La molécule d’acide 9-oxodéc-2-ènoïque possède deux stéréoisomères de configuration. Les représenter. (0,5 point)

3. Une autre de ces espèces chimiques, l’acide 9-hydroxydéc-2-èneoïque, de formule relativement semblable à la précédente, est émise lors du vol nuptial par la reine pour attirer les mâles.

Le groupe caractéristique « hydroxy » étant −OH, représenter l’acide 9-hydroxydéc-2-èneoïque par analogie avec l’acide 9-oxodéc-2-ènoïque. (0,25 point)

4. La molécule d’acide 9-hydroxydéc-2-ènoïque présente deux types de stéréoisomérie de configuration. Justifier. (0,25 point)

2 Phéromone d’alarme et phéromone d’attaque

Une des phéromones d’alarme est l’heptan-2-one. Elle est émise, entre autres, quand un intrus s’approche de la ruche ou qu’une abeille est agressée. La réaction d’alerte est immédiate dans la colonie, mais de courte durée.

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La phéromone d’attaque est l’éthanoate d’isoamyle. C’est une espèce chimique volatile qui est produite par des cellules bordant la poche à venin. C’est pourquoi, si une abeille pique, les glandes sécrétant cette phéromone restent avec le dard et continuent à émettre le signal d’attaque.

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Pour distinguer ces deux phéromones, on peut avoir recours à la spectroscopie infrarouge.

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Spectre IR n° 1

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Spectre IR n° 2

Bandes d’absorption IR de quelques types de liaisons chimiques :

Liaison O–H

Entre 3 100 et 3 500 cm–1

Bande forte et large

Liaison O–H des acides carboxyliques

Entre 2 500 et 3 300 cm–1

Bande forte et large

Liaison C–H

Entre 2 900 et 3 100 cm–1

Bande moyenne à forte

Liaison C–H de CHO

Entre 2 650 et 2 800 cm–1

Double bande moyenne

Liaison C=O

Entre 1 700 et 1 800 cm–1

Bande forte

Liaison C–O

Entre 1 200 et 1 300 cm–1

Bande forte

Ces spectres ne peuvent être distingués que grâce aux bandes d’absorption dont le nombre d’onde est compris entre 500 et 1 500 cm–1.

1. Attribuer à chaque spectre la molécule de phéromone correspondante, en expliquant votre choix. (0,5 point)

2. Le spectre RMN de l’éthanoate d’isoamyle est représenté ci-après. Il comporte :

un doublet à 0,9 ppm ;

un quadruplet à 1,5 ppm ;

un nonuplet (9 pics) à 1,8 ppm ;

un singulet à 2,2 ppm ;

un triplet à 4,1 ppm.

Repérer et numéroter les groupes de protons équivalents de la molécule d’éthanoate d’isoamyle, comme débuté ci-dessous avec l’exemple du groupe n° 1, et justifier que le spectre correspond bien à la phéromone d’attaque. (1 point)

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Spectre RMN de l’éthanoate d’isoamyle

2. le miel : source de nourriture 20 min

Le miel est la substance naturelle sucrée produite par les abeilles Apis mellifera. On distingue principalement :

le miel de nectar qui provient des nectars de plantes ;

le miel de miellat qui provient principalement d’excrétions d’insectes butineurs laissées sur les parties vivantes de plantes ou de sécrétions de parties vivantes de plantes.

Les normes alimentaires internationales spécifient que la teneur en sucres réducteurs (glucose, fructose) doit être au minimum de :

60 g pour 100 g pour les miels de nectar ;

45 g pour 100 g pour les miels de miellat.

On souhaite doser les sucres réducteurs d’un miel de sapin (miel de miellat) par une méthode spectrophotométrique en utilisant un indicateur de présence de sucres réducteurs, le DNS.

Données

Le DNS ou acide 3,5-dinitrosalicylique présente une forme oxydée de couleur jaune qui réagit de la même façon avec le fructose ou le glucose et se transforme en une forme réduite de couleur rouge.

Le spectre d’absorption UV-Visible de la forme réduite du DNS présente un maximum d’absorption à la longueur d’onde λ = 530 nm.

Protocole utilisé

Préparer des solutions étalons de glucose dans une solution de DNS en excès.

Mesurer l’absorbance A de solutions étalons de glucose dans une solution de DNS en excès à la longueur d’onde λ = 530 nm.

Réaliser 50,0 mL d’une solution S0, solution aqueuse de miel contenant 0,60 g de miel de sapin.

Diluer 10 fois la solution S0 dans une solution de DNS en excès ; soit S1 la solution obtenue.

Résultats expérimentaux

Absorbance de la solution S1 à la longueur d’onde λ = 530 nm :

AS1 = 0,40.

Courbe d’étalonnage :

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1 Expliquer pourquoi le DNS doit être introduit en excès. (0,25 point)

2 Ce miel satisfait-il à la norme internationale ? (1,75 point)

Les clés du sujet

Partie 1

1 2. L’énoncé évoque la présence de deux stéréoisomères de configuration. Pour les représenter, vous devez chercher l’éventuelle présence d’un atome de carbone asymétrique ou d’une double liaison carbone-carbone.

4. Rappelez-vous que les deux types de stéréoisomérie de configuration sont : l’énantiomérie due à la présence d’au moins un atome de carbone asymétrique et la diastéréoisomérie Z/E due à la présence d’une double liaison carbone-carbone.

2 1. L’énoncé présente les deux formules semi-développées des molécules auxquelles on doit attribuer un spectre IR. Vous devez repérer les liaisons caractéristiques qui diffèrent entre les deux molécules et utiliser le tableau de données fourni pour associer à chaque liaison sa bande d’absorption correspondante.

2. Vous devez justifier que le spectre proposé correspond bien à celui de l’éthanoate d’isoamyle. Pour cela, vous devez identifier les groupes de protons équivalents. Pour chaque groupe de protons équivalents, vous devez dénombrer le nombre de protons voisins, puis appliquer la règle des (n + 1)-uplets afin d’en déduire la multiplicité du signal associé.

Partie 2

C’est une résolution de problème, n’oubliez pas de présenter votre raisonnement en plusieurs étapes. Le problème à résoudre consiste à déterminer la masse de glucose présente dans 100 g de miel. Pour ce faire, il faut procéder à un dosage spectrophotométrique par étalonnage.

Déterminez la concentration massique en glucose de la solution S1 à partir de la courbe ou de l’équation de la droite d’étalonnage donnée.

Déterminez la concentration massique en glucose de la solution S0 en prenant en compte le facteur de dilution.

Déduisez la masse de glucose contenu dans 50,0 mL de solution S0 préparée à partir de 0,60 g de miel de sapin.

Calculez la masse de glucose contenu dans 100 g de miel de sapin puis rédigez une conclusion.

Corrigé

Corrigé

1. la communication chez les abeilles

1 1. Reconnaître des groupes caractéristiques et nommer les familles associées

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Acide-9-oxodéc-2-ènoïque

Cette molécule présente deux groupes caractéristiques :

le groupe carbonyle associé, ici, à la famille des cétones (et non des aldéhydes, car ce groupe est situé en milieu de chaîne carbonée) ;

le groupe carboxyle associé à la famille des acides carboxyliques.

Elle possède aussi une double liaison C=C caractéristique de la famille des alcènes.

2. Représenter des stéréoisomères de configuration

Cette molécule possède une double liaison C=C. De plus, chacun de ces deux atomes de carbone porte des atomes ou groupes d’atomes différents. Ainsi, cette molécule présente une isomérie Z/E. Les deux stéréoisomères de configuration sont donc les suivants.

Diastéréoisomère Z

(les deux atomes d’hydrogène sont du même côté de la double liaison)

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Diastéréoisomère E

(les deux atomes d’hydrogène sont de part et d’autre de la double liaison)

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3. Représenter la formule semi-développée d’une molécule polyfonctionnelle

L’acide 9-oxodéc-2-ènoïque possède, sur le carbone n° 9 de la chaîne carbonée principale, un groupe carbonyle. Il faut représenter l’acide 9-hydroxydéc-2-ènoïque. D’après le nom de cette molécule, il s’agit de remplacer le groupe carbonyle par un groupe hydroxyle placé sur ce même atome de carbone. Pour respecter la tétravalence de cet atome de carbone fonctionnel, on doit ajouter un atome d’hydrogène pour que cet atome de carbone forme bien quatre liaisons covalentes.

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Acide 9-hydroxydéc-2-ènoïque

4. Justifier la présence de stéréoisomères de configuration

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Attention !

Un atome de carbone est dit asymétrique s’il est lié à quatre atomes ou groupes d’atomes différents. Il est noté C*. Une molécule possédant un seul atome de carbone asymétrique existe sous deux formes d’énantiomères.

Cette molécule possède une double liaison C=C. De plus, chacun de ces deux atomes de carbone porte des atomes ou groupes d’atomes différents. Ainsi, cette molécule présente une isomérie Z/E, comme l’acide 9-oxodéc-2-ènoïque. D’autre part, elle possède un seul atome de carbone asymétrique (noté C*). Ainsi, cette molécule présente deux énantiomères.

Cette molécule présente bien deux types de stéréoisomérie de configuration : diastéréoisomérie Z/E et énantiomérie.

2 1. Attribuer à chaque spectre IR la molécule de phéromone correspondante

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Le spectre IR n° 1 présente une bande d’absorption fine et intense vers 1 750 cm–1. D’après le tableau fourni, elle peut être attribuée à la liaison C=O. Ce spectre présente aussi une bande d’absorption intense vers 1 250 cm–1 qui peut être attribuée à la liaison C–O.

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Spectre IR n° 1

Le spectre IR n° 2 présente une bande d’absorption fine et intense vers 1 750 cm–1. Elle peut être attribuée à la liaison C=O (voir le tableau de l’énoncé). En revanche, ce spectre ne présente pas de bande d’absorption intense vers 1 250 cm–1. Donc, la molécule associée à ce spectre n’a pas de liaison C–O.

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Spectre IR n° 2

On en déduit donc que le spectre IR n° 1 est celui de l’éthanoate d’iso­amyle et que le spectre IR n° 2 est celui de l’heptan-2-one.

2. Repérer des groupes de protons équivalents et justifier un spectre RMN

Rappel

Des atomes d’hydrogène ayant le même environnement chimique sont appelés des protons équivalents.

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La molécule possède cinq groupes de protons équivalents. Par conséquent, le spectre RMN de cette molécule doit comporter cinq massifs distincts, ce qui est bien le cas sur le spectre donné.

Remarque

Pour répondre succinctement mais précisément à cette question, vous pouvez utiliser un tableau.

Pour chaque groupe de protons équivalents, il faut chercher la multiplicité du signal correspondant et lui associer un des cinq signaux proposés. On propose ainsi le tableau ci-après.

Numéro du groupe de protons équivalents

Nombre de protons voisins

Multiplicité du signal en suivant la règle des (n + 1)-uplets

Nom du signal correspondant obtenu

1

0

0 + 1 = 1 pic

singulet

2

2

2 + 1 = 3 pics

triplet

3

3

3 + 1 = 4 pics

quadruplet

4

8

8 + 1 = 9 pics

nonuplet

5

1

1 + 1 = 2 pics

doublet

Ces informations sont conformes au spectre RMN de l’éthanoate d’isoamyle.

2. le miel : source de nourriture

1 Justifier qu’une espèce chimique doit être introduite en excès

Le DNS, ajouté à la solution aqueuse de miel, réagit avec le fructose ou le glucose présent selon une réaction d’oxydoréduction. Pour que tout le glucose ou le fructose présent dans le miel réagisse avec le DNS, le DNS doit être introduit en excès (ce qui revient à dire que le glucose ou le fructose est le réactif limitant). Ainsi, la mesure de l’absorbance de la solution permettra de déterminer la concentration massique en ces sucres réducteurs.

2 Pour savoir si le miel satisfait à la norme internationale, il faut déterminer sa teneur en sucres réducteurs. Cela consiste à déterminer la masse de glucose présente dans 100 g de ce miel.

Déterminer la concentration massique en glucose de la solution S1

On utilise l’équation de la droite d’étalonnage donnée soit A = 0,68Cm. Sachant que l’absorbance de la solution S1 est égale à AS1 = 0,40, on en déduit que la concentration massique en glucose de la solution est :

CmS1 = AS10,68 = 0,400,68 = 5,9 × 10–1 g · L–1

Déterminer la concentration massique en glucose de la solution S0

Étant donné que la solution S1 a été obtenue en diluant 10 fois la solution S0, alors la concentration massique en glucose CmS0 est dix fois plus grande que celle de la solution S1. On a donc :

CmS0 = 10CmS1 d’où CmS0 = 10 × 5,9 × 10–1 = 5,9 g · L–1.

Cela signifie que, dans un litre de solution S0, il y a 5,9 g de glucose.

Déterminer la masse de glucose contenu dans 50,0 mL de la solution S0

La masse mglucoseS0 de glucose contenu dans les 50,0 mL de la solution S0 est donnée par :

mglucoseS0 = CmS0 × Vsolution

d’où mglucoseS0 = 5,9 × 50,0 × 10–3 = 3,0 × 10–1 g.

Il y a donc 0,30 g de glucose pour 0,60 g de miel de sapin.

En déduire la masse de glucose contenue dans 100 g de miel de sapin

Sachant qu’il y a 0,30 g de glucose pour 0,60 g de miel de sapin, alors, par proportionnalité, dans 100 g de miel de sapin, il y a une masse de glucose égale à :

mglucose = 0,30 × 1000,60 = 50 g

Il y a 50 g de glucose pour 100 g de miel.

Conclure

Le miel analysé contient donc 50 g de glucose pour 100 g de miel. Ce miel est un miel de sapin considéré comme étant un miel de miellat qui, selon les normes alimentaires internationales, doit contenir au minimum 45 g de sucres réducteurs pour 100 g de miel. D’après le dosage réalisé, le miel de sapin analysé satisfait bien à cette norme internationale. Il peut porter l’appellation « miel de miellat ».

Évaluez-vous !

Après avoir comparé vos réponses au corrigé, vérifiez que vous remplissez les principaux critères de réussite.

J’ai correctement analysé le problème posé et j’en ai déduit qu’il fallait déterminer la teneur en sucres réducteurs présente dans 100 g de miel.

J’ai correctement exploité la courbe d’étalonnage ou son équation.

J’ai pensé à prendre en compte le facteur de dilution pour la solution S0.

J’ai pensé à calculer la masse de glucose contenu dans 50,0 mL de solution S0 préparée à partir de 0,60 g de miel de sapin.

J’ai su en déduire la masse de glucose présente dans 100 g de miel.