Terminale S TP 14_Transformations en chimie organique

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TRASNFORMATIONS EN CHIMIE ORGANIQUE

Objectifs : - Pratiquer une démarche expérimentale pour synthétiser une molécule organique à partir d'un protocole et calculer son rendement.

- Identifier les réactifs et les produits à l'aide de spectres et de tables fournis - Déterminer la catégorie d'une réaction(substitution, addition, élimination) à partir de l'examen

de la nature des réactifs et des produits.

Document 0 : Présentation des transformations étudiées

On fait réagir un acide, chlorhydrique ou phosphorique, sur un alcool tertiaire.

Manipulation 1 : Action de l’acide chlorhydrique sur le 2-méthylpropan-2-ol

C4H10O(ℓ) + H+(aq) + Cl-(aq) → C4H9Cl(ℓ) + H2O(ℓ)

Manipulation 2 : Action de l’acide phosphorique sur le 2-méthylbutan-2-ol

C5H12O(ℓ) → C5H10 (ℓ) +H2O(ℓ)

On souhaite comparer ces deux transformations chimiques. On isole dans chaque cas le produit de réaction et on l’identifie grâce à ses spectres IR et RMN. Pour des raisons pratiques, chaque groupe prendra en charge l’une des deux manipulations proposées

mais conduira l’analyse comparative des deux transformations.

Rq : Voici le pictogramme de sécurité affiché sur l'étiquette de chaque acide concentré : S’organiser en conséquence ...

I. Protocole.

1. Partie propre à chaque manipulation.

Manipulation 1 : On pourra consulter les fiches de renseignements (document 1)

Dans un erlenmeyer, à l’aide d’une éprouvette graduée, introduire avec précaution, 30 mL d’une

solution concentrée d’acide chlorhydrique (11 mol.L-1), puis 15 mL de 2-méthyl-propan-2-ol.

Adapter un condenseur à air et placer l’ensemble sur un agitateur magnétique en fixant

l’erlenmeyer à un support vertical.

Maintenir l’agitation pendant environ 20 minutes.

Transvaser avec précaution le mélange dans une ampoule à décanter. Attention au barreau aimanté.

Identifier la phase aqueuse et l’évacuer.

Ajouter à la phase organique 25 mL d’une solution concentrée d’hydrogénocarbonate de sodium

(Na+(aq) + HCO3

-(aq)). Lorsque le dégagement gazeux cesse, boucher l’ampoule, la retourner en

maintenant bien le bouchon et ouvrir le robinet pour dégazer. Agiter alors doucement pour neutraliser

l’acide restant.

Evacuer de nouveau la phase aqueuse.

Ajouter à la phase organique 10 mL d’eau distillée et agiter comme précédemment. Laisser

décanter puis éliminer la phase aqueuse.

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Manipulation 2 : On pourra consulter les fiches de renseignements (documents 2 et 3)

Dans un ballon contenant de la pierre ponce, introduire, à l’aide d’une éprouvette graduée, 25 mL

de 2-méthyl-butan-2-ol, puis progressivement, 10 mL d’acide phosphorique concentré.

Placer le ballon dans un chauffe-ballon afin de réaliser un montage d’hydrodistillation et porter à

ébullition douce (la température ne doit pas dépasser 55 °C).

Arrêter le chauffage et abaisser le chauffe-ballon quand le débit du distillat devient négligeable.

Une fois refroidi, transvaser le distillat dans une ampoule à décanter. Ajouter à la phase organique

20 mL de solution concentrée d’hydrogénocarbonate de sodium (Na+(aq) + HCO3

-(aq)). Lorsque le

dégagement gazeux cesse, boucher l’ampoule, la retourner en maintenant bien le bouchon et ouvrir le

robinet pour dégazer. Agiter alors doucement pour neutraliser l’acide restant.

Identifier la phase aqueuse et l’évacuer. On vérifiera que cette dernière est bien basique (pH > …)

2. Partie commune aux deux manipulations.

Recueillir la phase organique dans un erlenmeyer sec.

Introduire un peu de sulfate de magnésium anhydre MgSO4 (s) et agiter jusqu’à pulvérulence. Faire

vérifier la qualité du séchage par le professeur.

Filtrer le mélange en récupérant le filtrat dans un nouvel erlenmeyer sec pesé au préalable. Adapter

un bouchon. Procéder à une pesée en vue de déterminer la masse m de produit obtenu.

II. Exploitation.

1. Ecrire les formules topologiques des deux alcools étudiés (On précisera leur classe). Mettre en

relation les spectres infrarouge et RMN de ces alcools avec leur formule.

Aide : Pour le spectre RMN de C5H12O, il y a autour de 1,5 ppm la superposition de deux signaux :

{1 singulet à 1,52 ppm & 1 quadruplet centré autour de 1,49 ppm}.

2. On supposera que pour les deux manipulations, l’alcool est le réactif limitant.

A l’aide des données et des documents, calculer le rendement de la transformation effectuée.

3. Quel est le rôle de l’ajout de la solution concentrée d’hydrogénocarbonate de sodium ? Quelle est la

nature du dégagement gazeux obtenu ? Comment le vérifier ?

4. Quel est le rôle de la température ? de l’acide phosphorique ? (Qualifier alors ce dernier.)

5. Le sulfate de magnésium anhydre MgSO4 contribue au « séchage » de la phase organique. Justifier.

6. Analyse des spectres des produits obtenus : on conduira les deux analyses.

Manipulation 1 : Par analyse des spectres, donner la formule semi-développée du produit formé, et

montrer que le produit obtenu analysé ne contient plus l’alcool de départ.

Manipulation 2: Par analyse du spectre IR, montrer que le produit formé ne contient plus l’alcool de

départ, et qu’il est vraisemblable que ce soit un alcène.

Le spectre RMN du produit est complexe ; entre autres, le signal correspondant à

un déplacement chimique de 5,2 ppm intègre pour 1H. Donner la formule topologique de cet alcène.

Possède-t-il la stéréoisomérie Z/E ? Comment vérifier qu’il s’agisse bien d’un alcène ?

7. Conclusion :

Ecrire pour chaque transformation envisagée, l’équation-bilan de la réaction avec les formules

semi-développées des molécules organiques transformées.

En déduire que l’action d’un acide sur un alcool tertiaire peut mener à deux grandes catégories de

réactions, que l’on identifiera clairement pour chacune des deux manipulations en s’aidant des documents

fournis. On précisera également si, lors de ces réactions, c’est la chaine carbonée et/ou le groupe

caractéristique de la molécule qui a subi une modification.

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Fiches de renseignements

Document 1 : Données physicochimiques sur les réactifs et produits de la manipulation 1

Molécule Densité Température d'ébullition (°C) Masse molaire (g/mol)

2-méthylpropan-2-ol 0,781 83 74,0

C4H9Cl 0,836 51 92,5

Document 2 : Données physicochimiques sur les réactifs et produits de la manipulation 2

Molécule Densité Température d'ébullition (°C) Masse molaire (g/mol)

2-méthylbutan-2-ol 0,806 102 88,0

C5H10 0,66 38,5 70,0

Document 3 : Montage d'hydrodistillation

Document 4 : Action des ions hydrogénocarbonate en milieu acide

En milieu acide (présence d’ions hydrogène H+

(aq)), les ions hydrogénocarbonate se transforment selon l’équation :

HCO3-

(aq) + H+(aq) → H2O (l) + CO2 (g)

Document 5 : Hydratation du sulfate de magnésium anhydre

En présence de traces d’eau, le sulfate de magnésium anhydre, solide blanc en poudre fine, agglomère

les molécules d’eau en formant un solide plus pâteux, le sulfate de magnésium heptahydraté.

L’équation de la réaction est la suivante : MgSO4 (s) + 7 H2O (l) → MgSO4,7H2O (s)

Document 6 : Rendement R d'une transformation chimique

Soient nexp et nthéo respectivement la quantité de matière de produit obtenue expérimentalement et celle

que l’on devrait obtenir si tout le réactif limitant était transformé en produit.

Le rendement η est défini par le rapport : η =

Il peut s’exprimer en pourcentage.

Document 7 : Les grandes catégories de réactions en chimie organique

LA SUBSTITUTION : Dans une réaction de substitution, un atome ou un groupe d'atomes est remplacé par un autre atome (ou groupe d'atomes). C6H5-H + HNO3 C6H5-NO2+H2O L’ADDITION : Dans une réaction d'addition, des atomes ou groupes d'atomes sont ajoutés aux atomes d'une liaison multiple. L’ÉLIMINATION : Dans une réaction d'élimination, des atomes ou des groupes d'atomes portés par des carbones adjacents sont éliminés pour former une liaison multiple, et une petite molécule.

CH3-CH-O-H CH3-C=O + H2

+ H2

H H

Support élévateur

Chauffe ballon

Ballon contenant de la pierre ponce porté à ébullition

Thermomètre

Réfrigérant à eau

Erlenmeyer

Sortie d’eau

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Document 8 : Données spectroscopiques

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Document 9 : Manipulation n°1- Spectres IR et RMN des réactifs et produits

Spectre IR du produit (C4H9Cl) Spectre RMN 1H du produit (C4H9Cl)

Spectre IR du réactif (C4H10O) Spectre RMN 1H du réactif (C4H10O)

Document 10 : Manipulation n°2- Spectres IR et RMN des réactifs et produits

Spectre IR du produit (C5H10) Spectre RMN 1H du produit (C5H10)

Spectre IR du réactif (C5H12O) Spectre RMN 1H du réactif (C5H12O)