Synthèse organique

Spécialité physique chimie Terminale

Structure des molécules organiques

La formule topologique

En première, on a représenté les molécules par leur formule brute (nombre d'atomes de chaque élément) et leur formule semi-développée (liaisons entre atomes, sauf celles avec les atomes d'hydrogène). Pour les molécules plus grosses, on utilise une écriture plus rapide : la formule topologique.

Dans une formule topologique :
  • la chaîne carbonée est représentée par une ligne brisée (en zigzag) ;
  • chaque extrémité et chaque sommet représente un atome de carbone ;
  • les atomes d'hydrogène liés aux carbones ne sont pas représentés : chaque carbone en porte assez pour avoir 4 liaisons ;
  • les autres atomes (O, N, Cl…) sont écrits, avec les atomes d'hydrogène qu'ils portent ;
  • une double liaison est représentée par un double trait.

Exemple du butan-1-ol, de formule brute \(\mathrm{C_4H_{10}O}\) :

\[ \mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-OH} \]
O H

Passez d'une représentation à l'autre.

📖
1. Écrivez la formule topologique du 2-méthylpropan-1-ol, \(\mathrm{CH_3-CH(CH_3)-CH_2-OH}\).
💡 Indice Dessinez d'abord la chaîne de 3 carbones, puis la ramification \(\mathrm{CH_3}\) sur le carbone du milieu, et enfin le groupe OH.
O H
📖
2. Même question pour la butanone, \(\mathrm{CH_3-CH_2-CO-CH_3}\).
💡 Indice \(\mathrm{CO}\) désigne un carbone lié à un oxygène par une double liaison : \(\mathrm{C{=}O}\).
O
📖
3. Donnez la formule brute de la molécule ci-dessous.
O
💡 Indice Comptez les sommets et les extrémités (les carbones), puis complétez chaque carbone avec des H pour qu'il ait 4 liaisons.

5 carbones ; les H : 3 + 1 + 3 + 2 + 1 = 10 ; un oxygène : \(\mathrm{C_5H_{10}O}\) (c'est le 3-méthylbutanal).

Les squelettes carbonés

Le squelette carboné est l'enchaînement des atomes de carbone de la molécule. Il peut être :
  • saturé s'il ne contient que des liaisons simples C–C, insaturé s'il contient au moins une double liaison C=C ;
  • linéaire, ramifié (avec des chaînes secondaires) ou cyclique (fermé sur lui-même).
linéaire, saturé
butane
ramifié, saturé
2-méthylpropane
linéaire, insaturé
but-2-ène
cyclique, saturé
cyclohexane
cyclique, insaturé
benzène
Les molécules ne sont pas planes : chaque carbone lié à 4 atomes est au centre d'un tétraèdre. Le zigzag de la formule topologique rappelle cette géométrie. Observez-la dans l'animation ci-dessous (choisissez « Squelettes carbonés »).

Groupes caractéristiques et familles

Un groupe caractéristique est un groupe d'atomes contenant au moins un atome autre que C et H (O, N, Cl…). Il donne à la molécule ses propriétés et définit sa famille fonctionnelle.

Les quatre premières familles ont été vues en première ; les quatre suivantes sont nouvelles. Le groupe caractéristique est entouré :

Alcool
groupe hydroxyle
O H
éthanol
Aldéhyde
groupe carbonyle en bout de chaîne
O
éthanal
Cétone
groupe carbonyle dans la chaîne
O
propanone
Acide carboxylique
groupe carboxyle
O O H
acide éthanoïque
Ester
groupe ester
O O
éthanoate d'éthyle
Amine
groupe amine
N H2
éthanamine
Amide
groupe amide
O N H2
éthanamide
Halogénoalcane
atome d'halogène (F, Cl, Br, I)
Cl
chloroéthane
Méthode : entourer le groupe caractéristique (question fréquente au bac)
  1. Repérer les atomes autres que C et H : O, N, Cl…
  2. Regarder leurs voisins : un carbone relié à un O par une double liaison (C=O) fait partie du groupe, et on entoure aussi l'autre atome O ou N lié à ce carbone.
  3. Entourer le tout, H compris (OH, NH₂), puis nommer la famille.
Attention aux familles voisines :
  • C=O seul : aldéhyde si le carbone est en bout de chaîne, cétone sinon ;
  • C=O lié à O–H : acide carboxylique ; C=O lié à O–C : ester ;
  • N lié seulement à des C ou des H : amine ; N lié à un C=O : amide.

Faites tourner les molécules et comparez les familles. Le groupe caractéristique peut être entouré comme dans les formules topologiques.

Pour vous entraîner à entourer les groupes caractéristiques, faites l'exercice 3.

Nommer une espèce chimique

Au bac, les règles de nomenclature sont fournies ; il faut savoir les appliquer.

Méthode
  1. Repérer la chaîne principale : la plus longue chaîne de carbones qui porte le groupe caractéristique. Son nombre de carbones donne le radical : méth (1), éth (2), prop (3), but (4), pent (5), hex (6).
  2. Numéroter la chaîne principale pour que le carbone du groupe caractéristique ait le plus petit numéro possible.
  3. Nommer les ramifications (méthyl, éthyl…) précédées de leur numéro.
  4. Ajouter la terminaison (ou le préfixe) de la famille, avec le numéro du groupe si besoin.
Famille Nom Exemple
alcane…anepropane
alcène…-x-ènebut-2-ène
alcool…an-x-olbutan-2-ol
aldéhyde…analpropanal
cétone…an-x-onepentan-2-one
acide carboxyliqueacide …anoïqueacide éthanoïque
ester…anoate de …yleéthanoate de méthyle
amine…an-x-aminepropan-2-amine
amide…anamideéthanamide
halogénoalcanex-chloro…ane (bromo, iodo, fluoro)2-chlorobutane
  • Ester : la partie qui contient C=O vient de l'acide et donne « …anoate » ; la partie liée à l'autre O vient de l'alcool et donne « de …yle ».
  • Amine, amide : un groupe carboné porté par l'azote est noté N-méthyl, N-éthyl… (exemple : N-méthyléthanamide).

Exemple : la chaîne principale compte 4 carbones et on la numérote à partir de l'extrémité la plus proche du groupe OH. Le groupe OH est sur le carbone 2 et une ramification méthyl sur le carbone 3 : c'est le 3-méthylbutan-2-ol.

O H 1 2 3 4

Nommez les molécules suivantes.

📖
1. Molécule A :
O O H
💡 Indice Groupe carboxyle : c'est un acide. Le carbone du groupe est le carbone 1 de la chaîne principale.

Chaîne principale de 3 carbones (avec le C du groupe carboxyle), méthyl sur le carbone 2 : acide 2-méthylpropanoïque.

📖
2. Molécule B :
O O
💡 Indice C'est un ester. Comptez les carbones du côté de C=O (avec celui-ci), puis ceux liés à l'autre oxygène.

Côté acide : 3 carbones (propanoate) ; côté alcool : 1 carbone (méthyle) : propanoate de méthyle.

📖
3. Molécule C :
Cl
💡 Indice Chaîne de 4 carbones ; numérotez pour que Cl ait le plus petit numéro.

Le chlore est sur le carbone 2 d'une chaîne de 4 carbones : 2-chlorobutane (un halogénoalcane).

L'isomérie de constitution

Des isomères de constitution ont la même formule brute mais des formules développées différentes : leurs atomes ne sont pas enchaînés de la même façon. Ce sont des espèces chimiques différentes, aux propriétés différentes.

Les isomères peuvent différer par :

  • leur chaîne carbonée : butan-1-ol et 2-méthylpropan-1-ol ;
  • la position du groupe caractéristique : butan-1-ol et butan-2-ol ;
  • leur groupe caractéristique (famille) : propanal et propanone.
O H
butan-1-ol
O H
2-méthylpropan-1-ol
O H
butan-2-ol

trois isomères de formule brute \(\mathrm{C_4H_{10}O}\)

O
propanal
O
propanone

deux isomères de fonction de formule brute \(\mathrm{C_3H_6O}\)

Cherchez les isomères de formule brute \(\mathrm{C_3H_6O_2}\) qui sont des acides carboxyliques ou des esters.

📖
1. Dessinez l'acide carboxylique de formule \(\mathrm{C_3H_6O_2}\) et nommez-le.
💡 Indice Le groupe carboxyle contient un carbone ; il reste 2 carbones pour la chaîne.
O O H

C'est l'acide propanoïque.

📖
2. Dessinez les deux esters de formule \(\mathrm{C_3H_6O_2}\) et nommez-les.
💡 Indice Les 3 carbones se répartissent de part et d'autre de l'oxygène du groupe ester : 2 + 1 ou 1 + 2.
O O
éthanoate de méthyle
O O
méthanoate d'éthyle

Ces trois molécules sont des isomères de constitution : l'acide et les esters sont des isomères de fonction.

Les polymères

Monomère, motif et polymère

Un polymère est une très grande molécule (macromolécule) formée par la répétition d'un même groupe d'atomes, le motif. Il est obtenu par polymérisation : un grand nombre de petites molécules, les monomères, se lient les unes aux autres.

Exemple : le polyéthylène est obtenu à partir de l'éthène. La double liaison C=C s'ouvre et les monomères s'enchaînent :

\[ n\ \mathrm{CH_2{=}CH_2} \longrightarrow \mathrm{-\!\left[\,CH_2-CH_2\,\right]_{\mathit{n}}\!-} \]
Le nombre n de motifs est le degré de polymérisation. La masse molaire du polymère vaut :
\[ M_{\text{polymère}} = n \times M_{\text{motif}} \]
Identifier le motif : on cherche le plus petit groupe d'atomes qui se répète le long de la chaîne. Dans un fragment de PVC (polychlorure de vinyle) :
\[ \mathrm{-CH_2-CHCl-CH_2-CHCl-CH_2-CHCl-} \]
le motif est \(\mathrm{-CH_2-CHCl-}\), et le monomère est le chloroéthène \(\mathrm{CH_2{=}CHCl}\).

Le polypropylène, utilisé pour les boîtes alimentaires et les pare-chocs, a pour fragment \(\mathrm{-CH_2-CH(CH_3)-CH_2-CH(CH_3)-CH_2-CH(CH_3)-}\). Données : M(C) = 12,0 g·mol⁻¹ ; M(H) = 1,0 g·mol⁻¹.

📖
1. Identifiez le motif et le monomère.
💡 Indice Le monomère contient une double liaison C=C entre les deux carbones du motif.

Motif : \(\mathrm{-CH_2-CH(CH_3)-}\) ; monomère : le propène \(\mathrm{CH_2{=}CH-CH_3}\).

📖
2. Un échantillon a une masse molaire moyenne de \(1{,}05 \times 10^{5}\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}\). Calculez son degré de polymérisation.
💡 Indice Le motif a pour formule \(\mathrm{C_3H_6}\) ; \(n = \dfrac{M_{\text{polymère}}}{M_{\text{motif}}}\).

\(M_{\text{motif}} = 3 \times 12{,}0 + 6 \times 1{,}0 = 42{,}0\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}\), donc \(n = \dfrac{1{,}05 \times 10^{5}}{42{,}0} = 2{,}50 \times 10^{3}\) motifs.

Polymères naturels et synthétiques

Polymère Origine Utilisations courantes
cellulosenaturel (végétaux)bois, coton, papier
amidonnaturel (végétaux)aliments (pâtes, pain, pommes de terre)
protéinesnaturel (êtres vivants)laine, soie, cheveux (kératine)
ADNnaturel (êtres vivants)support de l'information génétique
caoutchouc naturelnaturel (hévéa)gants, pneus
polyéthylène (PE)synthétiquesacs, flacons, films alimentaires
polychlorure de vinyle (PVC)synthétiquetuyaux, fenêtres, câbles
polystyrène (PS)synthétiqueemballages, isolants
polyester (PET)synthétiquebouteilles d'eau, fibres textiles
polyamide (nylon)synthétiquevêtements, cordes
Les polyesters et les polyamides sont formés par des réactions qui créent des groupes ester ou amide entre les monomères, avec élimination de petites molécules comme l'eau.

Optimiser une étape de synthèse

Les étapes d'un protocole

Rappel de première : un protocole de synthèse comporte une transformation (les réactifs réagissent), une séparation (on isole le produit brut), une purification et une identification du produit (température de fusion, chromatographie, spectroscopie…). Chaque étape peut être optimisée pour gagner du temps ou de la matière.

Optimiser la vitesse de formation du produit

On utilise les facteurs cinétiques :

  • on augmente la température ;
  • on ajoute un catalyseur (souvent un acide, comme l'acide sulfurique) ;
  • on utilise des réactifs concentrés.
sortie d'eau entrée d'eau réfrigérant à boules ballon mélange réactionnel + pierre ponce chauffe-ballon support élévateur

Le chauffage à reflux permet de chauffer le mélange réactionnel longtemps sans perte de matière : les vapeurs montent dans le réfrigérant, où l'eau froide qui circule les condense ; elles retombent alors dans le ballon. Le réfrigérant reste ouvert en haut pour éviter une surpression. La pierre ponce régularise l'ébullition, et le support élévateur permet de retirer rapidement le chauffage.

Voici un extrait de protocole de synthèse de l'éthanoate d'éthyle : « Dans un ballon, introduire 20 mL d'éthanol, 20 mL d'acide éthanoïque, 1 mL d'acide sulfurique concentré et quelques grains de pierre ponce. Chauffer à reflux pendant 30 minutes. »

📖
1. Quelles opérations permettent d'accélérer la formation de l'ester ?
💡 Indice Cherchez les facteurs cinétiques : température, catalyseur. L'acide sulfurique n'apparaît pas dans l'équation de la réaction.

Le chauffage (augmentation de la température) et l'ajout d'acide sulfurique, qui joue le rôle de catalyseur.

📖
2. Pourquoi chauffe-t-on « à reflux » ?
💡 Indice Que deviendraient les vapeurs sans réfrigérant ?

Pour chauffer sans perdre les réactifs et les produits, qui sont volatils : les vapeurs sont condensées et retombent dans le ballon.

Optimiser le rendement

Le rendement d'une synthèse est limité lorsque la transformation n'est pas totale. C'est le cas de l'estérification, qui conduit à un état d'équilibre de constante \(K = 4{,}0\) :

\[ \begin{gathered} \mathrm{CH_3COOH + C_2H_5OH \rightleftharpoons CH_3COOC_2H_5 + H_2O} \\[8pt] Q_r = \dfrac{n_{\mathrm{ester}} \times n_{\mathrm{eau}}}{n_{\mathrm{acide}} \times n_{\mathrm{alcool}}} \end{gathered} \]

On mélange 1,0 mol d'acide éthanoïque et 1,0 mol d'éthanol. On note x l'avancement à l'équilibre.

📖
1. Exprimez les quantités de matière à l'équilibre en fonction de x, puis écrivez la condition d'équilibre.
💡 Indice À l'équilibre, \(Q_{r,\text{éq}} = K\).

Acide et alcool : \(1{,}0 - x\) ; ester et eau : \(x\). Donc :

\[ \dfrac{x^2}{(1{,}0 - x)^2} = 4{,}0 \]
📖
2. Résolvez cette équation et déduisez-en le rendement.
💡 Indice Prenez la racine carrée : \(\dfrac{x}{1{,}0 - x} = 2{,}0\). L'avancement maximal vaut 1,0 mol.

\(x = 2{,}0 \times (1{,}0 - x)\), soit \(x = \dfrac{2{,}0}{3{,}0} = 0{,}67\ \text{mol}\) : on obtient le rendement ci-dessous.

Avec un mélange stœchiométrique, le rendement de l'estérification est limité à :

\[ r = \dfrac{x_{\text{éq}}}{x_{\max}} \times 100 = 67\ \% \]
Pour augmenter le rendement d'une transformation non totale, on fait évoluer le système dans le sens direct en diminuant \(Q_r\) pour qu'il reste inférieur à K :
  • on introduit un réactif en excès (le moins cher) : le dénominateur de \(Q_r\) augmente ;
  • on élimine un produit au fur et à mesure de sa formation (par distillation, ou avec un appareil de Dean-Stark qui piège l'eau) : le numérateur de \(Q_r\) diminue.

Modifiez la quantité d'éthanol introduite pour 1 mol d'acide, puis éliminez une partie de l'eau formée. Observez le rendement.

Avec 3 mol d'éthanol pour 1 mol d'acide, le rendement passe de 67 % à 90 %. Si toute l'eau est éliminée, la transformation devient totale : le rendement atteint 100 %.

Stratégie de synthèse multi-étapes

Modifier une molécule

Une molécule complexe (médicament, arôme, polymère…) est rarement obtenue en une seule étape. On distingue deux types de modifications :

  • la modification de groupe caractéristique : la chaîne carbonée ne change pas, mais la famille change (exemple : oxydation d'un alcool en acide carboxylique) ;
  • la modification de chaîne carbonée : le nombre ou l'enchaînement des carbones change (allongement, raccourcissement, ramification). La polymérisation en est un cas particulier : elle allonge énormément la chaîne.

Les catégories de réactions

On compare les réactifs et les produits :

  • substitution : un atome ou un groupe d'atomes est remplacé par un autre ;
\[ \begin{gathered} \mathrm{CH_3-CH_2-Br + HO^-} \\ \longrightarrow \mathrm{CH_3-CH_2-OH + Br^-} \end{gathered} \]
  • addition : des atomes s'ajoutent sur une double liaison, qui devient simple ;
\[ \mathrm{CH_2{=}CH_2 + H_2O \longrightarrow CH_3-CH_2-OH} \]
  • élimination : des atomes portés par deux carbones voisins partent et une double liaison se forme.
\[ \mathrm{CH_3-CH_2-OH \longrightarrow CH_2{=}CH_2 + H_2O} \]

Une réaction peut aussi être une réaction d'oxydoréduction (transfert d'électrons, par exemple l'oxydation d'un alcool par l'ion permanganate) ou une réaction acide-base (transfert d'un ion \(\mathrm{H^+}\)).

Identifiez la catégorie de chacune des réactions suivantes.

📖
1. \(\mathrm{CH_3-CH{=}CH_2 + HBr \longrightarrow CH_3-CHBr-CH_3}\)
💡 Indice Combien de réactifs, combien de produits ? Que devient la double liaison ?

Deux réactifs donnent un seul produit et la double liaison disparaît : addition.

📖
2. \(\mathrm{CH_3-CH(OH)-CH_3 \longrightarrow CH_3-CH{=}CH_2 + H_2O}\)
💡 Indice Une double liaison apparaît.

Un réactif donne deux produits et une double liaison se forme : élimination.

📖
3. \(\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-OH + HCl \longrightarrow CH_3-CH_2-CH_2-Cl + H_2O}\)
💡 Indice Comparez le groupe porté par le dernier carbone dans le réactif et dans le produit.

Le groupe OH est remplacé par un atome de chlore : substitution.

Élaborer une séquence réactionnelle

À partir d'une banque de réactions fournie, on choisit l'ordre des étapes qui transforment les réactifs disponibles en la molécule voulue (la molécule cible).

On veut synthétiser l'éthanoate d'éthyle en partant uniquement d'éthène \(\mathrm{CH_2{=}CH_2}\). Banque de réactions :

  • R1 : alcène + eau → alcool (catalyseur acide) ;
  • R2 : alcool + ion permanganate → acide carboxylique ;
  • R3 : acide carboxylique + alcool ⇌ ester + eau.
📖
1. De quels réactifs a-t-on besoin pour la dernière étape ?
💡 Indice Un ester se forme à partir d'un acide et d'un alcool : les deux parties de l'éthanoate d'éthyle comptent chacune 2 carbones.

R3 nécessite l'acide éthanoïque et l'éthanol.

📖
2. Comment obtenir ces deux réactifs à partir de l'éthène ?
💡 Indice R1 donne un alcool à partir d'un alcène ; R2 transforme un alcool en acide.

R1 transforme l'éthène en éthanol ; une partie de cet éthanol est oxydée en acide éthanoïque par R2. On obtient la séquence ci-dessous.

\[ \begin{gathered} \text{éthène} \xrightarrow{\ \text{R1}\ } \text{éthanol} \\[4pt] \text{éthanol} \xrightarrow{\ \text{R2}\ } \text{acide éthanoïque} \\[4pt] \text{acide éthanoïque} + \text{éthanol} \\ \xrightarrow{\ \text{R3}\ } \text{éthanoate d'éthyle} \end{gathered} \]

Protection et déprotection

Quand un réactif possède plusieurs groupes caractéristiques capables de réagir, on obtient un mélange de produits. Exemple : en faisant réagir la glycine (Gly) et l'alanine (Ala), deux acides α-aminés, on obtient quatre dipeptides : Gly–Gly, Gly–Ala, Ala–Gly et Ala–Ala.

Pour rendre la synthèse sélective :
  1. protection : on transforme temporairement les groupes qui ne doivent pas réagir ;
  2. on réalise la réaction voulue ;
  3. déprotection : on régénère les groupes protégés.
① protection P–NH–Gly–COOH H₂N–Ala–CO–O–P′ ② réaction : formation de la liaison amide P–NH–Gly–CO–NH–Ala–CO–O–P′ ③ déprotection H₂N–Gly–CO–NH–Ala–COOH un seul dipeptide obtenu : Gly–Ala
Protéger et déprotéger ajoute deux étapes, donc consomme des réactifs et de l'énergie et diminue le rendement global : on ne le fait que si c'est nécessaire.

Des synthèses écoresponsables

La chimie verte cherche à réduire l'impact environnemental des synthèses. Pour comparer deux voies de synthèse, on examine :

  • le nombre d'étapes et le rendement global ;
  • l'énergie consommée (température, durée de chauffage) : un catalyseur permet de travailler à plus basse température ;
  • la formation de sous-produits et leur valorisation (réutilisation) ;
  • le choix des réactifs et des solvants : peu toxiques, si possible renouvelables (eau, éthanol) ou absence de solvant.
L'économie d'atomes mesure la part des atomes des réactifs qui se retrouvent dans le produit voulu :
\[ EA = \dfrac{M_{\text{produit}}}{\sum M_{\text{réactifs}}} \times 100 \]

Calculez l'économie d'atomes de l'estérification de l'acide éthanoïque (\(M = 60{,}0\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}\)) par l'éthanol (\(M = 46{,}0\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}\)), qui donne l'éthanoate d'éthyle (\(M = 88{,}0\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}\)) et de l'eau.

📖
1. Appliquez la définition.
💡 Indice Le produit voulu est l'ester ; l'eau est un sous-produit.

\(EA = \dfrac{88{,}0}{60{,}0 + 46{,}0} \times 100 = 83\ \%\) : 17 % de la masse des réactifs part dans le sous-produit, l'eau, qui est sans danger.

L'ibuprofène (anti-inflammatoire) était fabriqué en 6 étapes, avec une économie d'atomes de 40 %. Le procédé actuel, en 3 étapes catalysées, atteint 77 %, et presque 100 % en récupérant son sous-produit, l'acide éthanoïque.

Bilan

L'essentiel à retenir du chapitre.

Représenter une molécule

  • Formule topologique : zigzag, un carbone à chaque sommet, H des carbones non écrits.
  • Squelette saturé ou insaturé (C=C) ; linéaire, ramifié ou cyclique.
  • Isomères de constitution : même formule brute, enchaînements différents.

Familles

  • Alcool (–OH), aldéhyde et cétone (C=O), acide carboxylique (–COOH).
  • Ester (–COO–C), amine (N), amide (N lié à C=O), halogénoalcane (F, Cl, Br, I).
  • Entourer : hétéroatomes + C du C=O, H compris.

Nommer

  • Chaîne principale la plus longue avec le groupe ; plus petit numéro pour le groupe.
  • -ol, -al, -one, acide -oïque, -oate de -yle, -amine, -amide, chloro-.

Polymères

  • Polymérisation : n monomères → polymère formé de n motifs.
  • Naturels (cellulose, protéines…) ou synthétiques (PE, PVC, PET…).
\[ M_{\text{polymère}} = n \times M_{\text{motif}} \]

Optimiser une synthèse

  • Vitesse : chauffage à reflux, catalyseur, réactifs concentrés.
  • Rendement d'une transformation non totale : réactif en excès ou élimination d'un produit, pour garder \(Q_r \lt K\).
\[ r = \dfrac{n_P}{n_{\max}} \times 100 \]

Stratégie de synthèse

  • Modification de chaîne ou de groupe caractéristique.
  • Substitution, addition, élimination ; oxydoréduction, acide-base.
  • Protection / déprotection pour une synthèse sélective.
  • Chimie verte : énergie, sous-produits, réactifs et solvants, économie d'atomes.

Exercices

Exercice 1 : texte à trous

📝 Sélectionne les bonnes réponses :

Exercice 2 : Vrai ou faux ?

📝 Réponds par Vrai ou Faux :

Exercice 3 : Entourer le groupe caractéristique

📝 Cliquez sur les atomes du groupe caractéristique pour les entourer, choisissez la famille, puis vérifiez. Pensez aux carbones « cachés » aux sommets !
O O
N H2
O
O N H
Cl
O O H
O
O H

Exercice 4 : QCM 📄 ✏️

📝 On considère la molécule \(\mathrm{CH_3-CH_2-CO-NH-CH_3}\). Quelles affirmations sont exactes ?
  • C'est une amine.
  • C'est un amide.
  • Sa formule brute est \(\mathrm{C_4H_9NO}\).
  • Son squelette carboné est insaturé.
  • Elle est isomère du butanamide \(\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-CO-NH_2}\).

Exercice 5 : Trois isomères 📄 ✏️


On considère les trois molécules A, B et C suivantes.

O
A
O
B
O
C

📖
1. Entourez le groupe caractéristique de chaque molécule et nommez sa famille.
💡 Indice Le carbone du groupe C=O est-il en bout de chaîne ?
O
A : aldéhyde
O
B : cétone
O
C : aldéhyde
📖
2. Déterminez la formule brute de chaque molécule. Que peut-on en conclure ?
💡 Indice Chaque carbone a 4 liaisons : complétez avec des atomes d'hydrogène.

Les trois ont pour formule brute \(\mathrm{C_4H_8O}\) : ce sont des isomères de constitution.

📖
3. Précisez le type d'isomérie entre A et B, puis entre A et C.
💡 Indice Comparez les familles, puis les chaînes carbonées.

A et B : isomères de fonction (aldéhyde et cétone). A et C : isomères de chaîne (chaîne linéaire et chaîne ramifiée).

📖
4. Nommez les trois molécules.
💡 Indice Aldéhyde : terminaison -al, le carbone du groupe porte le numéro 1. Cétone : terminaison -one.

A : butanal ; B : butanone (ou butan-2-one) ; C : 2-méthylpropanal.

Exercice 6 : Le PVC 📄 ✏️ 🧮


Le PVC est obtenu par polymérisation du chloroéthène \(\mathrm{CH_2{=}CHCl}\). Un échantillon a une masse molaire moyenne de \(1{,}25 \times 10^{5}\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}\). Données : M(C) = 12,0 ; M(H) = 1,0 ; M(Cl) = 35,5 (en g·mol⁻¹).


📖
1. Écrivez l'équation de la polymérisation.
💡 Indice Inspirez-vous du polyéthylène : la double liaison s'ouvre.
\[ n\ \mathrm{CH_2{=}CHCl} \longrightarrow \mathrm{-\!\left[\,CH_2-CHCl\,\right]_{\mathit{n}}\!-} \]
📖
2. Calculez la masse molaire du motif, puis le degré de polymérisation.
💡 Indice Le motif a pour formule \(\mathrm{C_2H_3Cl}\).

\(M_{\text{motif}} = 2 \times 12{,}0 + 3 \times 1{,}0 + 35{,}5 = 62{,}5\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}\) ; \(n = \dfrac{1{,}25 \times 10^{5}}{62{,}5} = 2{,}00 \times 10^{3}\).

📖
3. Quel pourcentage de la masse du PVC est dû au chlore ? Pourquoi l'incinération du PVC pose-t-elle un problème ?
💡 Indice Comparez la masse du chlore à celle du motif. En brûlant, le chlore forme du chlorure d'hydrogène HCl, un gaz corrosif.

\(\dfrac{35{,}5}{62{,}5} \times 100 = 56{,}8\ \%\). Plus de la moitié de la masse est du chlore : l'incinération libère du chlorure d'hydrogène, gaz toxique et corrosif, qu'il faut traiter. D'où l'intérêt du recyclage.

Exercice 7 : L'arôme de banane 📄 ✏️ 🧮


L'éthanoate de 3-méthylbutyle a une odeur de banane. On le synthétise à partir d'acide éthanoïque et de 3-méthylbutan-1-ol :

\[ \mathrm{CH_3COOH + C_5H_{11}OH \rightleftharpoons CH_3COOC_5H_{11} + H_2O} \]

Protocole : dans un ballon, introduire 10,0 mL de 3-méthylbutan-1-ol, 15,0 mL d'acide éthanoïque, 1 mL d'acide sulfurique concentré et de la pierre ponce. Chauffer à reflux 30 min. Après séparation et purification, on obtient 8,6 g d'ester.

M (g·mol⁻¹)ρ (g·mL⁻¹)
3-méthylbutan-1-ol88,00,81
acide éthanoïque60,01,05
ester130,00,87

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1. Voici la formule topologique de l'ester. Entourez son groupe caractéristique et identifiez la partie qui provient de l'alcool.
💡 Indice La partie alcool est liée à l'oxygène qui n'est pas doublement lié.
O O

Groupe ester entouré ; la chaîne à droite de l'oxygène (5 carbones, ramifiée) provient du 3-méthylbutan-1-ol.

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2. Quels choix du protocole permettent d'accélérer la synthèse ?
💡 Indice Facteurs cinétiques : température et catalyseur.

Le chauffage à reflux (température élevée sans perte de matière) et l'acide sulfurique, catalyseur.

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3. Calculez les quantités de matière initiales des réactifs. Quel réactif est en excès ? Pourquoi ce choix ?
💡 Indice \(m = \rho \times V\) puis \(n = \dfrac{m}{M}\). Les réactifs réagissent mole à mole.

Alcool : \(n = \dfrac{0{,}81 \times 10{,}0}{88{,}0} = 9{,}2 \times 10^{-2}\ \text{mol}\) ; acide : \(n = \dfrac{1{,}05 \times 15{,}0}{60{,}0} = 0{,}26\ \text{mol}\). L'acide est en excès : cela déplace l'équilibre dans le sens direct et augmente le rendement.

📖
4. Calculez le rendement de la synthèse.
💡 Indice L'alcool est le réactif limitant : \(n_{\max} = 9{,}205 \times 10^{-2}\ \text{mol}\) (valeur non arrondie).

\(m_{\max} = n_{\max} \times M_{\text{ester}} = 9{,}205 \times 10^{-2} \times 130{,}0 = 11{,}97\ \text{g}\), donc \(r = \dfrac{8{,}6}{11{,}97} \times 100 = 72\ \%\).

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5. Proposez une autre méthode pour augmenter le rendement.
💡 Indice On peut agir sur un produit.

Éliminer l'eau au fur et à mesure de sa formation (appareil de Dean-Stark) : \(Q_r\) reste inférieur à K et la transformation continue dans le sens direct.

Exercice 8 : Du propène à la propanone 📄 ✏️


La propanone (acétone), un solvant très utilisé, peut être synthétisée en deux étapes :

Étape 1 :

\[ \mathrm{CH_3-CH{=}CH_2 + H_2O \longrightarrow CH_3-CH(OH)-CH_3} \]

Étape 2 :

\[ \mathrm{CH_3-CH(OH)-CH_3 \longrightarrow CH_3-CO-CH_3} \]

L'étape 2 est réalisée avec un oxydant.


📖
1. Nommez le produit de l'étape 1 et donnez sa famille.
💡 Indice 3 carbones, groupe OH sur le carbone 2.

Propan-2-ol, un alcool.

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2. Donnez la catégorie de la réaction de l'étape 1.
💡 Indice Que devient la double liaison C=C ?

Deux réactifs, un seul produit, la double liaison disparaît : c'est une addition.

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3. Chaque étape modifie-t-elle la chaîne carbonée ou le groupe caractéristique ?
💡 Indice Comptez les carbones et comparez leur enchaînement.

La chaîne de 3 carbones ne change pas : les deux étapes sont des modifications de groupe caractéristique (alcène → alcool → cétone).

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4. Montrez que dans l'étape 2, le propan-2-ol joue le rôle de réducteur.
💡 Indice Écrivez la demi-équation du couple propanone / propan-2-ol : \(\mathrm{C_3H_6O + 2\,H^+ + 2\,e^- = C_3H_8O}\).

\(\mathrm{C_3H_8O = C_3H_6O + 2\,H^+ + 2\,e^-}\) : le propan-2-ol cède des électrons, c'est un réducteur. L'étape 2 est une oxydoréduction.