Entraînement PC Chap12 (propre)

Chap 12 — Synthèse de molécules organiques

Butfabriquer une molécule cible (médicament, arôme, plastique), la vérifier et l'optimiser

Feuille de route

① structure (familles, nomenclature, isomères) ② polymères ③ spectroscopie IR ④ étapes + rendement η + optimisation ⑤ réactions & sélectivité

Idée clé

bonne synthèse = rapide, haut rendement, écoresponsable · l'IR = « carte d'identité » du produit formé

I.1 — Les familles fonctionnelles

un groupe caractéristique définit la famille (propriétés) :

Famille	Groupe	Terminaison
alcool	–OH	-ol
aldéhyde	–CHO	-al
cétone	C=O	-one
acide carboxylique	–COOH	acide …-oïque
ester	–COO–	-oate de -yle
amine · amide	–NH₂ · –CO–N	-amine · -amide

Mémo

le groupe caractéristique = le « réactif » de la molécule (il réagit, on l'identifie en IR)

I.2 — Nommer une molécule

① chaîne carbonée la + longue avec le groupe nb de C (méth, éth, prop, but, pent…)

② groupe caractéristique suffixe (-ol, -one, -oïque…)

③ numéroter pour l'indice le + petit au groupe · ④ ramifications (méthyl-, éthyl-) + position

Exemple

CH₃–CHOH–CH₃ 3 C (prop) + alcool sur C2 propan-2-ol · « adresse : position + nom »

I.3 — Les isomères de constitution

même formule brute, enchaînement différent propriétés différentes. 3 types :

de chaîne : squelette différent (linéaire vs ramifié)

de position : même groupe, place différente

de fonction : familles différentes (ex alcool vs éther)

Exemple

C₄H₁₀O butan-1-ol / butan-2-ol (position) ou éthoxyéthane (fonction éther)

II — Polymère, monomère, motif

un polymère = macromolécule par répétition d'un motif · le monomère = molécule de départ qui se répète

n × monomère polymère [– motif –]_n (n = degré de polymérisation)

monomère = mêmes atomes que le motif, mais avec une double liaison C=C à la place des liaisons ouvertes

Mémo

remonter au monomère « refermer » les liaisons ouvertes du motif en une C=C

App 3 — Du polymère au monomère

polyéthylène [–CH₂–CH₂–]_n refermer en C=C monomère CH₂=CH₂ (éthène)

Téflon [–CF₂–CF₂–]_n CF₂=CF₂ (tétrafluoroéthène)

propène : n CH₂=CH–CH₃ [–CH₂–CH(CH₃)–]_n (motif du polypropène)

III — La spectroscopie infrarouge (IR)

identifie les groupes d'après les liaisons qui absorbent l'IR (nombre d'onde σ en cm⁻¹) :

Liaison	σ (cm⁻¹)	Allure
O–H (alcool)	3200–3400	large
O–H (acide)	2500–3200	très large
C=O	~1700	forte, fine
C–H	~2900	—

Mémo

bande large 2500–3200 + C=O 1700 ⟹ acide carboxylique~ · l'IR lit la zone des groupes (> 1500)

App 4 — Lire un spectre & suivre une synthèse

1)bande large 2500–3200 (O–H acide) + ~1700 (C=O) acide carboxylique (–COOH)

2) estérification: disparition de 2500–3200 (–OH acide consommé)

apparition C=O (1735) + C–O (1200) C=O + C–O = ester formé

IV.1 — Les 4 étapes d'une synthèse

① Transformer les réactifs : chauffage à reflux (chauffer sans perdre de matière)

② Traiter (isoler) : extraction, décantation, filtration

③ Purifier : recristallisation, distillation (éliminer les impuretés)

④ Analyser : IR, CCM, T de fusion (vérifier pureté & identité)

Mémo

Transformer Traiter Purifier Analyser · reflux = T ↑ SANS perte (vapeurs condensées retombent)

IV.2 — Le rendement η

η = n_expn_théo = m_expm_théo (0 ≤ η ≤ 1, ×100 en %)

n_théo = quantité max (réactif limitant totalement consommé)

multi-étapes : η_global = η₁ × η₂ × … (PRODUIT des rendements)

Mémo

η < 100 % : transformation non totale et / ou pertes au traitement · multiplier les étapes coûte du rendement

App 5 — Exemples de rendement

estern_théo = 0,10, m = 9,1 g (M = 130) : n_exp = 9,1130 = 0,070

η	=	0,0700,10
	=	70 %

banane0,20 acide (limitant), m = 18,2 g : n_exp = 18,2130 = 0,140 η = 0,1400,20 = 70 %

globalη₁ = 80 %, η₂ = 75 % : η_global = 0,80 × 0,75 = 60 % (< chaque étape)

IV.3 — Optimiser une synthèse

⚡ vitesse : chauffer (reflux), catalyseur, concentrations ↑

📈 rendement : réactif en excès OU éliminer un produit (déplace l'équilibre, Q_r < K sens direct)

🌱 chimie verte : solvant moins toxique, économie d'atomes, moins d'énergie, recyclage

Mémo

déplacer une réaction limitée vers les produits réactif en excès ou retirer un produit (ex : éliminer l'eau, Dean-Stark)

App 6 — Justifier l'optimisation (estérification)

a) vitesse: chauffage à reflux (température) + acide sulfurique (catalyseur)

b) rendement: réactif en excès (alcool) OU éliminer l'eau (Dean-Stark) Q_r < K sens direct

c) écoresponsable: solvant moins toxique (eau / éthanol vs chloré), micro-ondes, recyclage du catalyseur

V.1 — Substitution, addition, élimination

Substitution : un atome / groupe remplacé par un autre (A–X + Y A–Y + X)

Addition : des atomes s'ajoutent sur une C=C qui disparaît (C=C + XY CX–CY)

Élimination : des atomes partent, une C=C apparaît (inverse de l'addition)

Mémo

substituer = échanger · addition = C=C disparaît · élimination = C=C apparaît · compter les C=C avant / après !

App 7 — Classer les réactions

a)CH₃CH₂OH CH₂=CH₂ + H₂O : une C=C apparaît + H₂O part élimination

b)CH₂=CH₂ + Br₂ CH₂Br–CH₂Br : la C=C disparaît addition

c)CH₃CH₂Cl + CH₃O⁻ CH₃CH₂–O–CH₃ + Cl⁻ : –Cl remplacé substitution

d)(CH₃)₃C–OH + HCl (CH₃)₃C–Cl + H₂O : –OH –Cl substitution

V.2-3 — Sélectivité, protection / déprotection

sélective : parmi plusieurs groupes, un seul réagit (chimiosélectivité)

groupe fragile qui risque de réagir protection / déprotection :

① protéger le groupe sensible (le transformer temporairement)

② faire la réaction voulue · ③ déprotéger pour régénérer le groupe initial

Mémo

protéger = mettre un « casque » sur le groupe fragile le temps de la réaction, puis le retirer

App 8-9 — Protection & séquence (benzocaïne)

8)l'oxydant attaquerait aussi le –OH protéger le –OH, oxyder l'aldéhyde, déprotéger = oxydation sélective

9) benzocaïne: ① oxydation (–CH₃ –COOH) ② réduction (–NO₂ –NH₂) ③ estérification (+ éthanol excès)

m_théo = n_théo·M = 0,42 × 165 = 69,3 g

η	=	38,069,3
	=	≈ 54,8 %

Formulaire — tout le chapitre 12

① familles : –OH · –CHO · C=O · –COOH · –COO– · –NH₂

② polymère : n monomère (C=C) [– motif –]_n

③ IR : O–H acide 2500–3200 (large) · C=O ~1700

④ rendement : η = n_expn_théo · multi-étapes η_g = η₁×η₂×…

⑤ réactions : substitution · addition (C=C ↓) · élimination (C=C ↑)

⚠ Les pièges à éviter

monomère ≠ motif : monomère a une C=C · motif a des liaisons ouvertes

rendement global : on multiplie (jamais additionner / moyenner)

n_théo avec le réactif limitant (tableau d'avancement)

addition vs élimination : compter les C=C avant / après

IR : O–H alcool (3200–3400, large) ≠ O–H acide (2500–3200, très large)

🎤 Grand Oral

synthèse de l'aspirine ?estérification + protection (chimiosélectivité)

plastiques difficiles à recycler ?polymères très stables, mélangés, additifs

la chimie verte ?économie d'atomes, solvants verts, moins d'énergie

l'IR contrôle la qualité d'un médicament ?signature des groupes (pureté, identité)