T spe – PC – Chapitre 15 – cours Page 1 Chapitre 15 Chap. 10 du livre SYNTHESE ORGANIQUE FEUILLE DE ROUTE T Spé PC Attention : les parties Stratégie de synthèse multi-étapes (Modification de groupe caractéristique, modification de chaîne carbonée, polymérisation, Protection/déprotection) et Synthèses écoresponsables ne sont plus au programme. Sommaire Ressources ❏ Feuille de route ❏ Synthèse du cours ❏ Activité 1 : notions à connaître ❏ Activité 2 : comparaisons de protocoles ❏ vidéo du cours : rappel nomenclature ❏ vidéo Hachette lien p198 ❏ vidéo du cours : partie 1 uniquement ❏ qcm Hachette lien p199 J’ai du mal ? ❏ qcm Q1 à Q5 ❏ Ex 1 p200 ❏ Ex 3 p200 ❏ Ex 4* ❏ Ex 5 ❏ Ex 6* ❏ Ex 8* ❏ Ex9 ❏ Ex 10* ❏ Ex 11 ❏ Ex 12* ❏ Ex 13 ❏ Ex 20* ❏ Ex 21 S’entraîner – p199 à 216 Les numéros d’exercices sur fond blanc sont corrigés à la fin du livre (p462 et plus). ❏ Ex 23 ❏ Ex 25* (sauf 1c) ❏ Ex 26 ❏ Ex 27 ❏ Ex 28 (sauf 3) Je réussi ? ❏ Ex 30 ❏ Ex 31 (sauf I.3 et II.5) Comprendre et mémoriser Se tester avant le DS ❏ Ranger tous les documents du chapitre en suivant l’ordre du sommaire ❏ Lire le cours dans le livre p 194-198 ❏ Si besoin, regarder activement une vidéo de cours ❏ Réaliser une fiche résumé du cours ou une carte mentale ❏ Faire un maximum d’exercices ❏ S’entraîner sur des annales du bac sur Labolycee.org ❏ Ex 32* ❏ Ex ECE
T spe – PC – Chapitre 1 5 – cour s Page 2 Bilan de la stratégie en synthèse organique – carte mentale
T spe – PC – Chapitre 15 – cours Page 1 Chapitre 15 Chap. 10 du livre STRATEGIES DE SYNTHESE COURS T Spé PC 1. Les étapes d’une synthèse organique Lors de la fabrication d’une molécule organique (synthèse organique) il faut réfléchir au préalable à de nombreux paramètres afin d’obtenir un produit le plus pur possible avec le meilleur rendement, tout ceci avec un maximum de sécurité et à moindre coût. C’est l’objet du protocole expérimental. Le protocole expérimental se compose de plusieurs étapes : - Préparation du mélange réactionnel dans un réacteur (ballon, erlenmeyer,…) en prélevant les réactifs avec le matériel adapté (verrerie) et en respectant les précautions de sécurité liées à leur dangerosité. En fin de réaction, il contient un mélange d’espèces chimiques dont celle recherchée ; - Extraction et récupération de l’espèce chimique recherchée brute (avec impuretés) ; - Purification de l’espèce chimique brute ; - Analyse du produit purifié pour en contrôler sa nature. Remarque : le choix des paramètres expérimentaux est primordial puisqu’ils agissent sur le déroulement de la réaction de synthèse et permettent de l’optimiser.
T spe – PC – Chapitre 15 – cours Page 2 2. Le choix des techniques 2.1. Les dispositifs expérimentaux Les techniques mises en œuvre dans une synthèse découlent essentiellement des caractéristiques physico-chimiques des espèces chimiques qui interviennent : • Certaines réactions peuvent avoir lieu à froid, à la pression atmosphérique. • Parfois il faut refroidir le milieu réactionnel, on peut aussi travailler sous pression réduite. • D’autres réactions nécessitent un chauffage afin de l’accélérer. • On peut aussi chauffer et éliminer le produit obtenu au fur et à mesure qu’il se forme afin d’augmenter le rendement de la réaction. La technique utilisée le plus souvent est le chauffage à reflux. (a) : Réfrigérant à air ou condenseur à air. (b) : Erlenmeyer (c) : Mélange réactionnel (d) : Bain-marie (e) : Cristallisoir (f) : Barreau aimanté (g) : Agitateur chauffant. (h) : Réfrigérant à eau ou condenseur à eau (i) : Ballon à fond rond (j) : Chauffe-ballon (k) : Mélange réactionnel (l) : Pierre ponce (m) : Vallet ou support élévateur Intérêt du montage : - À température ordinaire, beaucoup de transformations chimiques sont lentes. On augmente leur vitesse en élevant la température (facteur cinétique) ; - Le reflux permet d’éviter les pertes de réactifs et de produits : lorsqu’ils se vaporisent, le réfrigérant liquéfie les réactifs et les produits qui retombent alors dans le mélange réactionnel. 2.2. Les techniques d’extraction L’extraction (ou isolement) regroupe l’ensemble des étapes consistant à isoler du mélange réactionnel le produit brut : elle consiste à séparer au mieux le produit des réactifs n’ayant pas réagi, des produits secondaires, du catalyseur, du solvant et des sous-produits dus à des réactions parasites. Extraction liquide – liquide Technique qui consiste à extraire une espèce chimique dissoute dans un mélange liquide à l’aide d’un solvant extracteur. - Le solvant extracteur doit être non miscible avec le mélange initial d’espèces chimiques et l’espèce chimique à extraire doit y être plus soluble que dans le mélange initial ; - La récupération de la phase constituée du solvant extracteur contenant l’espèce chimique est alors basée sur la différence de densité de ce solvant avec les autres phases. Elle s’effectue par décantation dans une ampoule à décanter (ci-contre). Extraction dans une ampoule à décanter Remarque : Il est important que l’eau arrive par le bas du réfrigérant et ressorte par le haut.
T spe – PC – Chapitre 15 – cours Page 3 Filtration sous vide L’évaporateur rotatif Montage de filtration sous vide L’évaporation du solvant tire profit des faibles températures d’ébullition des solvants courants. Elle est réalisée en chauffant sous vide, ou non, le solvant extracteur dans un évaporateur rotatif (ci-contre). L'évaporateur rotatif est utilisé en chimie afin de distiller rapidement des solvants : il est basé sur la distillation simple sous vide, qui permet d'éliminer rapidement de grandes quantités de solvant. Intérêt de la rotation : La rotation du ballon plaque le liquide sur les parois ce qui a pour effet d’augmenter la surface de contact avec la source thermique et ainsi d’homogénéiser le chauffage. Une fiole à vide munie d’un entonnoir Büchner permet une filtration rapide et un essorage efficace sous pression réduite. 2.3. Les techniques de purification La distillation La distillation permet de séparer les constituants d’un mélange de substances liquides dont les températures d'ébullition sont différentes : sous l'effet de la chaleur ou d'une faible pression, les substances se vaporisent successivement, et la vapeur obtenue est liquéfiée par le réfrigérant pour donner le distillat. → Le composé le plus volatil s'évaporera plus facilement et sera distillé en premier. → Le distillat n'est pas un produit pur : il contient une certaine proportion des autres composés du mélange initial. La recristallisation La recristallisation repose sur la différence de solubilité à chaud et à froid entre le composé à purifier et ses impuretés dans un solvant donné. La solubilité augmentant généralement avec la température, on dissout habituellement le composé dans le minimum de solvant porté à ébullition. La chromatographie sur colonne On utilise une colonne en verre équipée d'un verre fritté et d'un robinet (à gauche). La colonne est remplie d'une poudre, généralement de l'alumine ou de la silice, ou une résine échangeuse d'ions. Un mélange est placé en haut de la colonne. Selon la nature de l'éluant et du contenu de la colonne, certaines molécules sont plus facilement éluées que d'autres. Remarque : dans certaines circonstances, on peut utiliser la technique de la "chromato-flash" (à droite), où, pour gagner du temps, on monte la colonne sur une fiole à vide branchée sur une pompe.
T spe – PC – Chapitre 15 – cours Page 4 2.4. L’identification L’identification se fait par des méthodes d’analyse telles que : - Mesure de la température de fusion (banc Kofler) pour les solides ; - Mesure de la densité ou de l’indice de réfraction (réfractomètre) pour les liquides ; - Chromatographie (CCM) ; - Analyse spectrale du produit (UV ou IR). 3. Calcul du rendement La synthèse doit répondre à une logique économique donc être la plus efficace possible. Les indicateurs de son efficacité sont le rendement et le prix de revient. Définition : Le rendement d’une transformation chimique correspond au rapport de la quantité de matière de produit obtenue par la quantité de matière maximale attendue : expérimental expérimental théorique théorique n n quantité de matière de produit pur obtenu (en mol) η 100 n n quantité de matière de produit pur attendu (en mol) = = × = → Le rendement doit s’approcher de 100 % (ou 1) sachant que, s’il y a en plusieurs étapes, alors le rendement total est égal au produit des rendements de chaque étape. 4. Optimisation d’une synthèse Pour optimiser une synthèse, il est possible de travailler sur deux critères. 4.1. Augmenter la vitesse de formation Pour augmenter la vitesse de formation d’un produit, on peut : • chauffer le milieu réactionnel avec un montage de chauffage à reflux • utiliser un catalyseur • augmenter la concentration des réactifs en solution 4.2. Optimiser le rendement Le rendement permet d'évaluer l'efficacité d'une synthèse. Dans le cas où une réaction opposée limite une synthèse, on peut améliorer le rendement de cette dernière : • en introduisant l’un des réactifs en excès • en éliminant du milieu réactionnel l’un des produits de la réaction remarque : même quand la transformation est totale (taux d'avancement final τ = 1), le rendement est toujours inférieur à 100 % en raison des pertes manipulatoires (transvasements, extraction, purification).
T spe – PC – Chapitre 15 – activité 1 Page 1/8 Chapitre 15 Chap. 10 du livre STRUCTURE ET PROPRIETES DES MOLECULES ACTIVITE 1 T Spe 1. Formules topologiques 1.1. Petit rappel sur les représentations d’une molécule Regarder la vidéo suivante et réaliser le quizz en fin de vidéo : 1.2. La formule topologique L’écriture topologique est une représentation simple et rapide des molécules organiques. Elle permet de mieux visualiser la structure du squelette carboné. https://lycee.hachetteeducation.com/ressources/0002 016290040/VID_Modeliser-desmolecules.mp4 Exemple: représentation du 4-methyloct-1-èn-3-ol 1. Écrire sa formule semi-développée : 2. Compter le nombre de C de la chaîne principale : il y a 8 carbones ce qui correspond à 7 segments 3. Représenter les segments selon une ligne brisée : 4. Ajouter, si présente, les liaisons multiples : ici, le premier segment est doublé afin de représenter la double liaison située entre le carbone 1 et le carbone 2 5. Ajouter des substituants. Ici : le groupement méthyle -CH3 est représenté par un segment partant du carbone numéro 4 puis la fonction hydroxyle (-OH) est ajoutée sur le carbone numéro trois. Application 1 : représenter les formules topologiques correspondantes aux formules semi-développées ci-dessous.
T spe – PC – Chapitre 15 – activité 1 Page 2/8 Application 2 : déterminer la formule semi-développée puis la formule brute correspondant aux formules topologiques données ci-dessous. 2. Bien nommer pour se comprendre Nommer une molécule est essentielle en chimie. Pour cela, on regroupe les molécules en famille fonctionnelle et on suit les règle de la nomenclature. Une famille fonctionnelle regroupe l’ensemble des molécules possédant le même groupe caractéristique. Les molécules d’une même famille possèdent des propriétés chimiques semblables. 2.1. Nom des molécules : rappel de 1re 2.1.1. Regarder les vidéos suivantes : Sur les groupes caractéristiques Sur la nomenclature https://lycee.hachetteeducation.com/ressources/0002016290040/VID_Groupescaracteristiques.mp4 https://lycee.hachetteeducation.com/ressources/0002016290040/VID_Nomenclatu re.mp4
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T spe – PC – Chapitre 15 – activité 1 Page 4/8 Application 3 : répondre aux qcm ci-dessous : 2.2. Nom de molécule : les nouveautés de terminale Le tableau suivant regroupe l’ensemble des familles de 1re et terminale à connaître. Application 4 : Pour chaque molécule si-dessous, entourer les groupes caractéristiques et en déduire à quelle famille fonctionnelle elles appartiennent. Application 5 : nommer les molécules suivantes
T spe – PC – Chapitre 15 – activité 1 Page 5/8 Application 6 : nommer les molécules suivantes : Application 7 : donner les formules topologiques des molécules suivantes : 3. Isomérie La formule brute d’une molécule indique sa composition, en précisant le nombre et la nature des atomes qui la composent. Les formules semi-développées ou topologiques rendent compte des liaisons formées entre les atomes et donc de leur structure au sein de la molécule. Or, une même formule brute peut correspondre à plusieurs structures possibles et donc à des molécules différentes. Des isomères de constitution sont des molécules ayant la même formule brute mais des formules semi-développées ou topologiques différentes. Application 8 : Pour chaque couple de formules topologiques ci-dessous, identifier si les espèces correspondantes sont des isomères de constitution. Justifier Application 9 : Pour chaque formule brute ci-dessous, écrire les formules topologiques des molécules de tous les isomères de constitution correspondant sachant qu'aucune d’elle n’est cyclique. 4. Squelette carboné Le squelette carboné représente l’enchaînement des atomes de carbone constituant une molécule organique. Si la liaison est multiple (double ou triple) ou un cycle est présent, le squelette est dit insaturé. Dans le cas contraire, il est saturé.
T spe – PC – Chapitre 15 – activité 1 Page 6/8 5. Les polymères Un polymère est une macromolécule, constituée de l’enchaînement répété d’un même motif, le monomère (du grec monos : un seul ou une seule, et meros : partie), reliés les uns aux autres par des liaisons covalentes. Application 10 : On donne le document ci-dessous. 1. Identifier le motif élémentaire qui se répète dans chacun des polymères du document. 2. Identifier dans le document les polymères naturels et les polymères synthétiques. 3. Rechercher au moins deux utilisations des polymères du document. 4. Citer des avantages des polymères naturels et / ou biosourcés par rapport aux polymères de synthèse. 5. Citer des polymères naturels et synthétiques et leurs utilisations courantes. Document Amidon L'amidon se trouve dans les graines et les légumineuses, les racines ; les tubercules et rhizomes (pomme de terre, patate douce, etc.) Polystyrène Le polystyrène est issu de la pétrochimie. Il est obtenu par polymérisation du styrène (de formule C8H8) Caséine Les caséines sont des protéines qui constituent la majeure partie des composants azotés du lait. La première phase de la fabrication du fromage est leur précipitation par adjonction d'un acide ou de présure.(R étant un groupe alkyle) Nylon 6,6 PAL (Acide PolyLactique) PET (Polyéthylènetéréphtalate)
T spe – PC – Chapitre 15 – activité 1 Page 7/8 Corrigé des applications Application 1 Application 2 Application 3 Application 4 Application 5 Application 6 a. N-méthylméthanamine b. 3-méthyl-pentanoate de méthyle c. 2-bromopropane d. propan-2-amine Application 7 Application 8 Application 9
T spe – PC – Chapitre 15 – activité 1 Page 8/8 Application 10
T spe – PC – Chapitre 15 – activité 2 Page 1 Chapitre 15 Chap. 10 du livre COMPARAISONS DE PROTOCOLES ACTIVITE 2 T Spe Situation Vous travaillez pour un géant de l’industrie de la confiserie. C’est beau la vie ! La plupart des bonbons à la banane contiennent de l’éthanoate de 3-méthylbutyle. Votre entreprise dispose de trois usines de production de cet arôme de banane, mais chacune utilise un protocole de synthèse différent. Votre directeur souhaite que tous les sites de production utilisent le même protocole. Mais lequel conserver ? Travail à effectuer Avec vos collègues, vous devez analyser l’un des protocoles puis en faire une synthèse à toute l’équipe du laboratoire. Votre présentation doit être bouclée dans moins de deux heures. Les points suivants doivent être abordés. • équation de la réaction chimique (noms + formules topologiques), • description du protocole expérimental (indiquer les différentes étapes) • technique d’identification du produit, • précautions de sécurité nécessaires, • nature des déchets générés, • rendement de la transformation chimique, • coûts des réactifs par kg de produit. Une équipe venue de chaque usine présentera son protocole en maximum 5 minutes à l’aide d’un diaporama. Nous devrons ensuite choisir celui qu’il faudrait généraliser. Vous disposez : • du dossier documentaire ci-après • des schémas de montages, d’images et de pictogrammes dans le diaporama « C15_activite_ressources» • de 60 minutes Grille d'évaluation de la présentation orale Niveau de maîtrise A B C D Structure de l’exposé organisation du groupe enchaînement dans la présentation respect des consignes Contenu Compréhension du sujet démarche expérimentale mise en œuvre résultats et analyse présentée conclusion donnée Diaporama résumé correct du sujet traité respect du cahier des charges clarté du document et pertinence Présentation orale voix audible, articulée langage correct et adapté prise en compte de l’auditoire
T spe – PC – Chapitre 15 – activité 2 Page 2 Documents Document 1 Protocoles expérimentaux Protocole A Usine de Marseille représentée par un des groupes 1, 4 • Équation de la réaction : 3-méthylbutan-1-ol (alcool isoamylique) + acide éthanoïque ⇋ éthanoate de 3-méthylbutyle + eau • Dans un ballon de 100 mL, introduire 20,0 mL d’alcool isoamylique, 10,5 mL d’acide éthanoïque, 10 mL de cyclohexane (solvant). Chauffer à l’aide d’un montage Dean-Stark jusqu’à l’obtention de 3,3 mL d’eau, soit pendant 30 minutes. • Laisser refroidir puis transférer le contenu du ballon dans une ampoule à décanter. • Recueillir puis sécher la phase organique avec du sulfate de magnésium anhydre. • Filtrer sur papier plissé et noter la masse de liquide obtenu. • Mesurer l’indice de réfraction du produit obtenu. Protocole B Usine de Bonn représentée par un des groupes 2, 5 • Équation de la réaction : éthanoate de potassium + 1-bromo-3-méthylbutane → éthanoate de 3-méthylbutyle + bromure de potassium. • Dans un ballon bicol de 50 mL muni d’un barreau d’agitation magnétique, dissoudre 18 mmol (1,8 g) d’éthanoate de potassium dans 0,13 mol (8 mL) d’acide acétique. Ajouter ensuite par l’ampoule de coulée 12 mmol (1,8 g) de bromure d’isoamyle et chauffer le mélange réactionnel ainsi obtenu 90 minutes à reflux. • Laisser alors le mélange réactionnel revenir à température ambiante puis ajouter une solution saturée de carbonate de sodium (2Na+ + CO3 2– ) jusqu’à ce que le pH soit légèrement basique (pH ≈ 8-9). Réaliser ensuite une extraction liquide-liquide de la phase aqueuse avec deux fois 20 mL d’éthoxyéthane, laver la phase organique avec une solution aqueuse saturée en chlorure de sodium et la sécher sur sulfate de magnésium anhydre. Évaporer le solvant à l’évaporateur rotatif. • Effectuer une chromatographie sur couche mince du produit obtenu en utilisant un mélange cyclohexane/acétate d’éthyle (90/10) et révéler la plaque sous lampe UV. Protocole C Usine d’Uzès représentée par un des groupes 3, 6 • Équation de la réaction : 3-méthylbutan-1-ol (alcool isoamylique) + anhydride éthanoïque → éthanoate de 3-méthylbutyle + acide éthanoïque • Dans un ballon de 100 mL, introduire 20,0 mL d’alcool isoamylique, 17,4 mL d’anhydride éthanoïque, environ 1 g de catalyseur (acide paratoluène sulfonique : APTS). Chauffer à reflux pendant 20 minutes. • Laisser refroidir puis transférer le mélange dans un bécher contenant environ 80 g de glace. Transférer le tout dans une ampoule à décanter. Séparer les phases aqueuse et organique. • Effectuer un lavage de la phase organique avec une solution de carbonate de sodium (2Na+ + CO3 2– ) à 20 %. Ajouter la solution de carbonate de sodium par petites portions, du fait du dégagement gazeux de dioxyde de carbone. Effectuer ensuite un lavage à l’eau. Vérifier que le pH de la phase aqueuse est voisin de 7 en utilisant du papier pH. • Sécher alors la phase organique avec du sulfate de magnésium anhydre. • Filtrer sur papier plissé et noter la masse de liquide obtenu. • Effectuer une spectroscopie IR du produit obtenu.
T spe – PC – Chapitre 15 – activité 2 Page 3 Document 2 Extrait des cahiers de laboratoire Usine de Marseille Réactifs introduits : • alcool isoamylique : 1 = 20,0 × 0,81 88 = 0,184 mol • acide acétique : 2 = 10,5 × 1,05 60 = 0,184 mol • Masse d’ester obtenue : m = 23,8 g • Quantité de matière d’ester obtenue : = 23,8 130 = 0,183 mol • Calcul du rendement : = 0,183 0,184 = 99,6 % • Indice de réfraction expérimental : 1,359 0 Indice de réfraction tabulé : 1,359 8 Usine de Bonn Réactifs introduits : • éthanoate de potassium : 1 = 1,8 98 = 1,8 ⋅ 10−2 mol • bromure d’isoamyle : 2 = 1,8 151 = 1,2 ⋅ 10−2 mol • Masse d’ester obtenue : m = 1,3 g • Quantité de matière d’ester obtenue : = 1,3 130 = 1,0 ⋅ 10−2 mol • Calcul du rendement : = 1,0⋅10−2 1,2⋅10−2 = 84 % Usine d’Uzès Réactifs introduits : • alcool isoamylique : 1 = 20,0 × 0,81 88 = 0,184 mol • anhydride éthanoïque : 2 = 17,4 × 1,08 102 = 0,184 mol • Masse d’ester obtenue : m = 23,6 g • Quantité de matière d’ester obtenue : = 23,8 130 = 0,183 mol • Calcul du rendement : = 0,182 0,184 = 98,7 % • Spectre de IR du produit obtenu : Les réactifs sont introduits dans les proportions stœchiométriques.
T spe – PC – Chapitre 15 – activité 2 Page 4 Document 3 Données relatives au coût et à la sécurité