Physique chimie, le chitosane pour pièger les métaux lourds.

La chitine est l’un des constituants principaux de l’exosquelette des crustacés, des animaux à coquilles et des insectes. Elle est le deuxième polysaccharide le plus répandu dans la nature, après la cellulose. Cependant, la chitine est soluble dans très peu de solvants, ce qui limite ses applications. C’est pourquoi, on la transforme chimiquement en chitosane.

Ce polymère biodégradable et biocompatible offre de nombreuses possibilités dans les domaines pharmaceutique, biomédical, agroalimentaire et environnemental.

A. Le chitosane pour piéger les métaux lourds.
Les propriétés complexantes du chitosane sont étudiées pour extraire des métaux lourds d’eaux polluées.
Q16. Quelles sont les fonctions chimiques présentes dans la chitine et dans le chitosane?
Identifier les sites bases de Lewis qui peuvent complexer un métal.

Les fonctions entourées ci-dessus possèdent des atomes d'oxygène et d'azote, porteurs de doublets non liants et sont donc des bases de lewis.
Q17. Le monomère du chitosane est une glucosamine, un glucide de la famille des osamines dont la structure est fondée sur celle du β-D-glucose.
a) Représenter la formule semi-développée de la forme ouverte du β-D-glucose, puis en déduire si le β-D-glucose est un aldose ou un cétose.
b) Représenter en projection de Fischer la forme ouverte du β-D-glucose. Que désigne la lettre D dans la dénomination « β-D-glucose » ?

Le β-D-glucose est un aldose, présence d'une fonction aldehyde.
D "dextrogyre" : propriété d'une molécule de faire dévier le plan de polarisation de la lumière polarisée vers la droite.
Q18. On dispose de 60 g de carapaces de crevettes. Cette masse de carapaces est-elle suffisante pour ramener 40 mL d’une solution de sulfate de cuivre de concentration initiale égale à 0,1 mol.L^–1 aux normes environnementales françaises de pollution des eaux en cuivre ( 0,5 mg / L)? Si non, quelle est la masse minimale de carapaces de crevettes nécessaires pour éliminer le cuivre de la solution ?
100 g de carapaces de crevettes conduisent à 4 g de chitosane.
60 g de carapaces de crevettes conduisent à 2,4 g de chitosane.
Évolution du rapport d’absorbance A/A₀ (donné en %) en fonction de la masse de chitosane ajoutée pour 40,0 mL de solution aqueuse à la concentration initiale C₀ = 0,1 mol.L^–1. L’absorbance de la solution initiale a pour valeur A₀ = 1,26.

Concentration de la solution de sulfate de cuivre après traitement : 0,1 *0,025 =2,5 10^-3 mol / L.
Concentration massique en cuivre : 2,5 10^-3 * 65,4 ~0,16 g / L, valeur supérieure à 5 mg / L, seuil réglementaire.
Il faut 3 g de chitosane soit 3 *100 /4 = 75 g de carapaces de crevettes pour éliminer tout le cuivre de la solution.

Q19. Proposer une explication de la solubilité du chitosane dans l’eau, en conditions acides.
Les fonctions amine et amide sont protonées. Des interactions électrostatiques se crééent entre les molécules d'eau et ces fonctions.
La spectroscopie de RMN 1H est une technique d’analyse simple permettant d’évaluer le degré d’acétylation DA d’un chitosane. On donne un extrait du spectre RMN 1H 500 MHz réalisé lors de l’étude d’un polymère de chitine issu d’une réaction de désacétylation.

Q20. Expliciter ce que désigne la fréquence « 500 MHz » du spectre RMN 1H ?
Il s'agit de la fréquence de résonance ( fréquence de larmor ) proportionnelle à l'intensité du champ magnétique créé.
Q21. En vous appuyant sur l’exemple de la molécule d’éthanol dont le spectre serait enregistré à l’aide du même spectromètre RMN, expliquer les notions d’intégration d’un signal et de multiplicité spectrale. Préciser la multiplicité spectrale attendue pour le
signal de l’atome hydrogène porté par l’atome de carbone numéroté 1 du β-D-glucose . Préciser la multiplicité spectrale attendue pour le signal de l’atome hydrogène porté par l’atome de carbone numéroté 2 du β-D-glucose.

CH₃ : ces protons équivalents ont 2 protons proches voisins, on observe un triplet. Multiplicité = 3 et intégration I = 3.
CH₂ : ces protons équivalents ont 3 protons proches voisins, on observe un quadruplet. Multiplicité = 4 et intégration I = 2.
OH : ce proton n'a aucun proton proche voisin, on observe un singulet. Multiplicité = 1 et intégration I = 1.
Le signal de l’atome hydrogène porté par l’atome de carbone numéroté 1 du β-D-glucose est un doublet, multiplicité = 2 et intégration I = 1. ( l'atome de carbone 2 porte un hydrogène).
Le signal de l’atome hydrogène porté par l’atome de carbone numéroté 2 du β-D-glucose est un triblet, multiplicité = 3 et intégration I = 1. ( les atomes de carbone 1 et 3 portent chacun un hydrogène).
Q22. Proposer un argument pour expliquer que le signal du groupement méthyle de la partie « glucosamine acétylée » du chitosane analysé est un singulet.
L'atome de carbone voisin ne porte pas d'atomes d'hydrogène.
Q23. Déterminer le degré d’acétylation (DA) du chitosane analysé. Commenter la qualité de cette détermination expérimentale.
L'intensité d'un pic est proportionnelle au nombre de protons qui en est la cause.
Le pic H₇ est uniquement présent dans le chitosane acétylé. Il intègre pour une valeure de 1,00.
Le pic H₂ et H_2' est présent dans le glycosamine et dans le glucosamine acéthylé. Il intègre pour une valeur de 1,2.
Les protons H₃ à H₆ intègrent pour une valeur de 5,18.
Les 5 protons communs aux deux molécules intègrent pour une valeur de 1,2 +5,18 = 6,38.
Intégration moyenne d'un proton : 6,38 / 5 =1,276
Proportion de glucosamine acéthylée : 1,00 / 1,276 ~0,78 ( 78 %).