Bac S 2016 Polynésie Correction © http://labolycee.org EXERCICE I ...

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EXERCICE I : L'ALANINE EN INFRAROUGE (7 points) 1. L'alanine 1.1.1. Acide 2-aminopropanoïque :
prop : chaine linéaire de 3 atomes de carbone
Acide ... oïque : fonction acide carboxylique COOH
2- amino : fonction amine en position 2 sur la chaine carbonée. 1.1.2. L'alanine possède un seul atome de carbone asymétrique, c'est-à-dire
lié à 4 substituants différents (marqué par un astérisque). L'alanine
existe donc sous 2 formes images l'une de l'autre dans un miroir mais non
superposables : elles forment un couple d'énantiomères.
[pic] 1.2.1. Cette réaction est une réaction de substitution (2 réactifs et 2
produits) : l'atome de brome Br de l'acide 2-bromopropanoïque a été
remplacé par NH2 provenant de l'ammoniac. 1.2.2. Notons l'Alanine ALA et l'acide 2-bromopropanoïque ABR.
Par définition du rendement : [pic]= 80 %, ainsi n(ALA)max = [pic]
L'ammoniac NH3 est en excès d'après l'énoncé, donc le réactif limitant est
l'acide
2-bromopropanoïque.
L'équation de la réaction permet d'écrire : [pic]
Remarque : les 1 sont les nombres st?chiométriques écrits pour ne pas les
oublier.
On cherche la masse initiale d'ABR, [pic] m(ABR)i = [pic]
m(ABR)i = [pic] . M(ABR)
m(ABR)i = [pic]
m(ABR)i = [pic]
[pic] Remarque : ce résultat peut paraitre trop élevé au 1er abord (il faut plus
de 2 kg d'ABR pour obtenir 1 kg d'ALA avec un rendement plutôt élevé : 80
%), mais cela s'explique par le fait que les molécules d'ABR (M(ABR) = 153
g/mol) sont beaucoup plus lourdes que les molécules d'ALA (M(ALA) = 89
g/mol).
1.3. Prédiction du spectre RMN de l'Alanine :
Les protons du NH2 et du OH n'apparaissent pas dans les conditions où le
spectre est réalisé (cf. énoncé).
Le proton du groupe CH est voisin avec 3 autres protons, d'après la règle
du (n+1)-uplet il apparaît sous la forme d'un quadruplet.
Les protons du groupe CH3 sont voisins avec un seul proton, le signal
correspondant est un doublet. Cela correspond au spectre RMN du composé A (2 triplets pour le composé B). Cette réponse semble suffire mais l'énoncé sous-entend fortement
d'exploiter le spectre IR. Vérifions que le spectre IR du composé A est compatible avec la formule de
l'alanine. On doit retrouver les liaisons les plus caractéristiques suivantes : [pic] Les bandes d'absorption correspondant aux 2 liaisons N-H (entre 2600 et
3100 cm-1) sont difficiles à identifier car elles se confondent avec la
bande large de O-H. Cependant, le spectre est compatible avec la formule de l'Alanine.
2. Spectroscopie infrarouge
2.1. Influence de la masse :
Comparaison courbe 1 / courbe 3 : la masse a augmenté (mais la constante de
raideur du ressort est restée constante) et on constate que la période des
oscillations a augmenté. Influence de la constante de raideur k :
Comparaison courbe 1 / courbe 2 : la constante de raideur du ressort a
augmenté (la masse est restée constante) et on constate que la période des
oscillations a diminuée. Conclusion : la période des oscillations de cet oscillateur mécanique
augmente avec la masse du solide mais diminue avec la constante de raideur
du ressort. 2.2.1. Vu que [pic], et que la longueur d'onde[pic] est homogène à une
longueur, [pic] est homogène à l'inverse d'une longueur et devrait
s'exprimer en m-1 (le cm-1 est une unité pratique).
2.2.2. [pic]
Pour la liaison C-H, [pic] donc [pic]
[pic]
Remarque : la célérité « c » était donnée en cm.s-1 pour que le résultat
soit directement en cm-1.
Si on ne conserve que deux chiffres significatifs alors ce résultat est
cohérent avec les données qui indiquent [pic]entre 2850 et 3020 cm-1.
2.2.3. On sait que [pic]
Si la masse réduite[pic] est la même pour la liaison C-O et la liaison C=O,
la seule explication permettant d'expliquer que [pic] est que [pic]
([pic]au numérateur). La constante de force de liaison est plus élevée pour C=O que pour C-O,
cela semble logique car la liaison C=O est plus solide que la liaison C-O. Compétences exigibles ou attendues :
En noir : officiel (Au B.O.)
En bleu : officieux (au vu des sujets de Bac depuis 2013)
. Utiliser le nom systématique d'une espèce chimique organique pour en
déterminer les groupes caractéristiques et la chaîne carbonée.
. Utiliser la représentation de Cram.
. À partir d'un modèle moléculaire ou d'une représentation reconnaître si
des molécules sont identiques, énantiomères ou diastéréoisomères.
. Déterminer la catégorie d'une réaction (substitution, addition,
élimination) à partir de l'examen de la nature des réactifs et des
produits.
. Définir et calculer le rendement d'une synthèse.
. Exploiter un spectre IR pour déterminer des groupes caractéristiques à
l'aide de tables de données.
. Relier un spectre RMN simple à une molécule organique donnée, à l'aide
de tables de données.
. Vérifier l'homogénéité d'une relation.
. Pratiquer une démarche expérimentale pour mettre en évidence les
différents paramètres influençant la période d'un oscillateur
mécanique.
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N-H (acide aminé) ?
entre 2600 et 3100 cm-1 O-H (acide carboxylique)
bande large entre 2500 et 3300 cm-1
C=O (acide aminé)
entre 1590 et 1600 cm-1