Élaborer des stratégies en synthèse organique 5

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La formule topologique, c’est-à-dire la représentation géométrique des molécules carbonées, est un excellent moyen pour visualiser la structure d’une espèce chimique, en particulier des poly- mères. Les diﬀ érentes méthodes de synthèse ont de multiples applications industrielles mais on ne doit pas oublier de prendre en compte l’impact environnemental.

■ Un scientiﬁ que

Après des études à l’École polytechnique, Henry Le Chatelier (1850-1936) participe à la défense de Paris lors de la guerre avec les Prussiens. Il enseigne ensuite à l’École des Mines de Paris puis à la Sorbonne. Ceci ne l’empêche pas de mener activement des recherches en chimie théorique où il énonce le principe d’équilibre chimique qui porte son nom. Il eﬀ ectue également des recherches dans le domaine industriel en particulier celui de la métallurgie.

LE SAVIEZ-VOUS ?

Le plus simple des alcanes, le méthane de formule CH₄, est un puissant gaz à eﬀ et de serre. Il est émis pour partie par l’activité humaine, en particulier l’élevage. La méthanisation est basée sur la décomposition de la matière organique par des microorganismes en l’absence d’oxygène.

Elle permet d’obtenir des biogaz, principalement du méthane, mais aussi du dioxyde de carbone, qui peuvent être utilisés pour la production d’électricité ou de chaleur.

Chapitre 5

Élaborer

des stratégies en

synthèse organique

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Objectifs

Les notions que je dois maîtriser

Savoir écrire une formule topologique

Savoir distinguer différents types de squelettes carbonés : saturés, insaturés et cycliques Connaître la notion d’isomérie de constitution

En plus des familles fonctionnelles déjà vues en classe de première (alcools, aldéhydes, cétones, acides carboxyliques), connaître de nouvelles familles fonctionnelles : les esters, les amines, les amides et les halogénoalcanes

Savoir identifier le motif d’un polymère à partir de sa formule, connaître des polymères naturels et synthétiques et leur utilisation courante

Savoir identifier différents types de réaction

Savoir comment il est possible d’optimiser une étape de synthèse autant du point de vue de la vitesse que du point de vue du rendement

Les compétences que je dois acquérir

Savoir exploiter des règles de nomenclature fournies pour nommer ou représenter une espèce chimique

Savoir identifier des étapes de protection / déprotection à partir d’une banque de réactions en justifiant leur intérêt

Savoir porter un regard critique sur une synthèse du point de vue de son impact environnemental en proposant des améliorations, à l’aide de données fournies, par exemple en termes d’énergie, de formation et de valorisation des sous-produits, ou en terme de choix des réactifs et des solvants

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ELABORER DES STRATEGIES EN SYNTHESE ORGANIQUE 3

Résumé de cours

Structures et propriétés des espèces chimiques

Différentes structures

Pour visualiser rapidement la structure d’une espèce chimique, on dispose de sa formule topologique qui consiste à représenter le squelette carboné à l’aide d’une ligne brisée reliant les atomes de carbone sans représenter les atomes d’hydrogène liés à ceux-ci.

Deux isomères de constitution ont la même formule brute mais ont des structures différentes ; celles-ci peuvent différer par la longueur de la chaîne carbonée principale, par la position des ramifications, par la présence d’insaturations c’est-à-dire de doubles liaisons, ou par le caractère linéaire, ramifié ou cyclique de la chaîne carbonée.

À l’intérieur des différentes structures possibles, on identifie des familles fonctionnelles : alcools, aldéhydes, cétones, acides carboxyliques, esters, amines, amides et halogénoalcanes que l’on peut nommer en respectant des règles de nomenclature.

Méthode 5.1. Comment représenter et nommer la structure d’une espèce chimique ?

On note la structure particulière des polymères dans lesquels un motif appelé monomère, représenté entre parenthèses ci-dessous, se répète un très grand nombre n de fois.

Exemples de polymères naturels : la cellulose du bois, l’amidon chez les végétaux ou le glycogène chez les animaux…

Exemples de polymères synthétiques :

Optimisation d’une étape de synthèse

Augmenter la vitesse

Pour augmenter la vitesse de formation d’un produit, on joue sur les facteurs cinétiques : température et concentration des réactifs. L’emploi d’un catalyseur peut également contribuer à l’augmentation de la vitesse de formation d’un produit.

ÉLABORER DES STRATÉGIES EN SYNTHÈSE ORGANIQUE 141nn

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4 CHAPITRE 5

Augmenter le rendement

Si n(P) et m(P) désignent respectivement la quantité de matière et la masse de produit P formé, n(P)_max et m(P)_max la quantité de matière et la masse maximale de produit que l’on pourrait former si l’on atteignait l’avancement maximal dans le cadre d’une transformation supposée totale, le rendement de la synthèse est défini par : η= n(P)

n(P)_max = m(P) m(P)_max .

Le rendement global d’une synthèse est le produit des rendements de ses étapes intermédiaires.

Dans le cas d’un transformation limitée telle que aA+bBcC+dD caractérisée par la constante d’équilibre K(T), il est possible d’augmenter le rendement de la transformation, soit par l’introduction d’un excès de l’un des réactifs, soit par élimination de l’un des produits du milieu réactionnel au cours de sa formation. Élever la température n’a pas forcément l’effet d’augmenter le rendement de la transformation.

Méthode 5.2. Comment calculer et augmenter le rendement d’une synthèse ?

Stratégie de synthèse multi-étapes

Modifications de structure

Les modifications de structure peuvent être très diverses : - modification de chaîne carbonée,

- modification de groupe caractéristique, - polymérisation.

En plus des réactions d’oxydo-réduction qui sont des transferts d’électrons et des réactions acido-basiques qui sont des transferts de protons, on identifiera trois autres types de réaction : - les réactions de substitution : remplacement d’un atome ou groupement d’atomes par un autre,

- les réactions d’addition : passage d’une liaison double à une liaison simple, - les réactions d’élimination : passage d’une liaison simple à une liaison double.

Protection / déprotection

Il peut être nécessaire au cours d’une étape de la synthèse de protéger l’un des groupes fonctionnels d’une molécule afin que celui-ci ne soit pas affecté par la réaction ; on réalise pour cela une réaction dite de protection. Ultérieurement cette fonction est restituée pour figurer à nouveau dans la structure du produit final ; on réalise pour cela une étape dite de déprotection.

Méthode 5.3. Comment identifier une étape de protection ou de déprotection ?

Synthèses écoresponsables

Lors de la mise en œuvre d’une synthèse, il s’agit de choisir le protocole qui minimise l’impact environnemental. Pour cela, on choisit le protocole expérimental qui réduit la dépense énergétique, évite la formation de sous-produits non valorisables, sélectionne des réactifs et des solvants non dangereux pour l’homme et son environnement, et si possible non onéreux.

Méthode 5.4. Comment déterminer la voie de synthèse la plus écoresponsable ?

nn 142 CHAPITRE 5

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Mé th o d e s

Méthodes

Méthode 5.1. Comment représenter et nommer la structure d’une espèce chimique ?

– Pour nommer une molécule, repérer la chaîne carbonée principale puis la numéroter de façon à ce que l’atome de carbone fonctionnel ait le plus petit indice de position, utiliser correctement les règles de nomenclature données ci-dessous relatives à la nature de la fonction présente dans la molécule.

– Inversement, à partir du suffixe du nom, déterminer la nature de la fonction organique puis représenter la chaîne carbonée en plaçant correctement le groupe fonctionnel.

Exercice 5.1

Les familles des composés organiques à connaître sont :

• Les alcanes : ce sont des hydrocarbures saturés (ne comportant que des liaisons simples carbone-carbone) de formule brute générale, pour les alcanes non-cycliques : CnH2n+2 ; de n = 1 à 9 : méthane, éthane, propane, butane, pentane, hexane, heptane, octane, nonane.

Les chaînes carbonées peuvent être linéaires, ramifiées ou cycliques.

Pour nommer un alcane, il faut :

1. repérer la chaîne carbonée principale qui est la chaîne carbonée la plus longue ;

2. la numéroter de gauche à droite ou de droite à gauche de façon à ce que les ramifications portent le plus petit indice de position ;

3. commencer par donner la position et le nom du ou des groupes alkyl, puis donner le nom de l’alcane s’il n’y avait pas de ramification. Les groupes alkyls sont les groupes méthyle : –CH₃, éthyle : –C2H5, propyle : –C3H7. On peut utiliser les préfixes di, tri, tétra pour éviter les répétitions. L’ordre dans lequel les groupes sont donnés est l’ordre alphabétique sans tenir compte de ces préfixes.

• Les alcènes : ce sont des hydrocarbures insaturés (comportant au moins une liaison double carbone-carbone) de formule brute générale : CnH2n. La nomenclature fonctionne sur le même principe que celle des alcanes mais on remplace le suffixe -ane par le suffixe -ène ; on précisera la position de la double liaison dans la chaîne principale.

• Les alcools : ce sont des molécules organiques présentant le groupe hydroxyle –OH. La nomenclature des alcools fonctionne sur le même principe que celle des alcanes mais avec le suffixe -ol à la place du -e de -ane. On précise la position du groupement hydroxyle dans la molécule. On numérote la chaîne carbonée de façon à ce que l’atome de carbone porteur du groupe hydroxyle ait le plus petit indice de position.

• Les aldéhydes : ce sont des molécules organiques présentant le groupe carbonyle :

avec R’ = H.

Mé th o d e s

(6)

6 CHAPITRE 5

La nomenclature des aldéhydes est identique à celle des alcanes mais avec le suffixe -al à la place du -e de -ane. La chaîne carbonée est numérotée à partir du carbone fonctionnel.

• Les cétones : ces molécules présentent également le groupe carbonyle mais ici R’ ≠ H. La nomenclature se fait de la même manière que pour les alcools mais avec le suffixe -one.

• Les acides carboxyliques : ce sont des molécules organiques présentant le groupe carboxyle :

La nomenclature des acides carboxyliques fonctionne sur le même principe que celle des alcanes mais avec le suffixe -oïque à la place du -e de -ane et le préfixe acide.

La chaîne carbonée est numérotée à partir du carbone fonctionnel.

• Les esters : ces molécules organiques présentent le groupe ester :

Le nom de l’ester est constitué de deux termes ; le premier terme a pour origine le nom de l’acide carboxylique RCOOH dont il dérive avec le suffixe -oate, le second terme a pour origine le nom de l’alcool R’–OH dont il dérive avec le suffixe -yle.

• Les amines : ce sont des molécules organiques présentant le groupe amine : R–NH2.

La nomenclature des amines fonctionne sur le même principe que celle des alcanes mais avec le suffixe -amine à la place du -e de -ane.

Si l’atome d’azote est lié à d’autres groupes alkyls, le nom de l’amine doit être précédé du préfixe N- suivi du nom du groupe alkyl, et ce pour chaque groupe alkyl présent dans l’ordre alphabétique. Pour un composé multifonctionnel, le groupe –NH2 est appelé groupe amino.

• Les amides : ce sont des molécules organiques présentant le groupe amide :

La nomenclature des amides est identique à celle des alcanes mais avec le suffixe -amide à la place du -e de -ane. Si l’atome d’azote est lié à d’autres groupes alkyls, il faut procéder comme pour les amines.

• Les halogénoalcanes : ce sont des molécules organiques possédant au moins un atome d’halogène noté X : F pour fluor, Cl pour chlore, Br pour brome, I pour iode. Leur formule générale est R-X. La nomenclature des halogénoalcanes consiste à préciser la position de l’atome d’halogène, la chaîne principale étant numérotée pour que l’indice de position de l’atome de carbone porteur de X soit le plus petit possible, et à donner le nom de l’halogène sous la forme du préfixe fluoro-, chloro-, bromo-, iodo- suivi du nom de l’alcane.

nn 144 CHAPITRE 5

(7)

Nommons les molécules suivantes à partir de leur représentation topologique.

Mé th o d e s

On voit une chaîne carbonée principale à 5 atomes de carbone que l’on numérote de gauche à droite pour que l’atome de carbone porteur du groupe hydroxyle –OH responsable de la fonction alcool ait le plus petit indice de position ici 2, on repère de plus un groupement méthyle en position 4 : cet alcool est donc le 4-méthylpentan-2-ol. Cet alcool est un alcool secondaire car l’atome de carbone porteur du groupe hydroxyle est lié à deux atomes de carbone.

On voit une chaîne carbonée principale à 5 atomes de carbone que l’on numérote de gauche à droite pour que l’atome de carbone porteur du groupe carbonyle responsable de la fonction cétone ait le plus petite indice de position ici 2, on repère également un groupement méthyle en position 3 : cette cétone est le 3-méthylpentan-2-one.

On voit une chaîne carbonée principale à 5 atomes de carbone que l’on numérote de droite à gauche pour que l’atome de carbone porteur du groupe carbonyle responsable de la fonction aldéhyde ait le plus petit indice de position ici 1, on repère également un groupement méthyle en position 3 : cet aldéhyde est le 3-méthylpentanal.

On voit un ester qui dérive de l’acide éthanoïque : et du propan-1-ol : qui est un alcool primaire.

Cet ester est l’éthanoate de propyle.

On voit une chaîne carbonée principale à 5 atomes de carbone que l’on numérote de droite à gauche pour que l’atome de carbone porteur du groupe amine –NH₂ responsable de la fonction amine ait le plus petit indice de position ici 2, on repère également un groupe méthyle en position 3 : cette amine est le 3-méthylpentan-2-amine.

On voit une chaîne carbonée principale à 4 atomes de carbone que l’on numérote de droite à gauche pour que l’atome de carbone porteur du groupe amide responsable de la fonction amide ait le plus petit indice de position ici 1, on repère également un groupe méthyle en position 3 et un groupe éthyle porté par l’atome d’azote : cette amide est le N-éthyl-3- méthylbutanamide.

On voit une chaîne carbonée principale à 4 atomes de carbone que l’on numérote de gauche à droite pour que l’atome de carbone porteur du groupe halogéno responsable de la fonction halogénoalcane ait le plus petit indice de position ici 2, on repère également un groupe méthyle en position 2 : cet halogénoalcane est le 2-bromo-2-méthylbutane.

Mé th o d e s

(8)

8 CHAPITRE 5

Donnons les représentations topologiques des molécules suivantes.

4-méthylpent-2-ène : le suffixe -ène indique qu’il s’agit d’un alcène, la chaîne carbonée principale compte 5 atomes de carbone et l’atome de carbone engagé dans la double liaison est en position 2, un groupement méthyle est porté par l’atome de carbone en position 4.

2-méthylbutan-2-ol : le suffixe -ol indique qu’il s’agit d’un alcool, la chaîne carbonée principale compte 4 atomes de carbone et l’atome de carbone porteur du groupe hydroxyle est en position 2, un groupement méthyle est également porté par l’atome de carbone en position 2. Cet alcool est dit tertiaire car l’atome de carbone porteur du groupe hydroxyle est lié à trois atomes de carbone.

2-méthylpropanal : le suffixe -al indique qu’il s’agit d’un aldéhyde, la chaîne carbonée principale numérotée à partir du carbone fonctionnel compte 3 atomes de carbone et l’atome de carbone en position 2 porte un groupement méthyle.

2-méthylbutanoate d’éthyle : ce nom composé de deux parties indique qu’il s’agit d’un ester, la première partie indique que l’ester dérive de l’acide 2-méthylbutanoïque, la deuxième partie indique qu’il dérive également de l’éthanol.

N-éthyl-N-propyl-2-méthylbutanamine : le suffixe -amine indique qu’il s’agit d’une amine dont la chaîne carbonée principale compte 4 atomes de carbone ainsi qu’un groupement méthyle en position 2, par ailleurs l’atome d’azote est lié à un groupement éthyle et à un groupement propyle.

N-méthyl-2-méthylpentanamide : le suffixe -amide indique qu’il s’agit d’un amide dont la chaîne carbonée compte 5 atomes de carbone et un groupement méthyle en position 2, l’atome d’azote est également lié à un groupement méthyle.

3-fluoro-2-méthylpentane: la présence du préfixe fluoro indique qu’il s’agit d’un halogénoalcane dont la chaîne carbonée compte 5 atomes de carbone et un groupement méthyle en position 2, l’atome de fluor est en position 3.

nn 146 CHAPITRE 5

(9)

Méthode 5.2. Comment calculer et augmenter le rendement d’une synthèse ?

Pour calculer le rendement d’une synthèse, il faut, après avoir dressé un tableau d’avancement, calculer le rapport η= x_f

x_max où x_f désigne l’avancement final et x^max l’avancement maximal de la transformation si celle-ci était totale.

Pour augmenter le rendement d’une transformation, il s’agit de déplacer l’équilibre dans le sens direct de formation des produits ; pour cela, conformément au critère d’évolution spontanée, on diminue le quotient initial de la réaction de façon à ce que l’on ait Q_r,_i<K. Pour y parvenir, on peut soit utiliser un excès de l’un des réactifs, soit éliminer un des produits au cours de sa formation.

Exercices 5.1 et 5.2. Exercices 5.1 et 5.2

Mé th o d e s

L’éthanoate de butyle C6H12O2 (M=116 g⋅mol⁻¹) est utilisé comme arôme alimentaire. Il peut être obtenu par réaction entre l’acide éthanoïque et le butan-1-ol. Il s’agit d’une transformation chimique limitée au cours de laquelle il se forme également de l’eau responsable de la réaction inverse d’hydrolyse.

La transformation est lente et peut être accélérée par un catalyseur, l’acide sulfurique.

Pour augmenter le rendement de la réaction, on ajoute en plus des réactifs un solvant organique tel que le cyclohexane moins dense que l’eau. On utilise le montage de Dean-Stark représenté ci-dessous qui utilise le fait que la température d’ébullition du composé mixte {eau - cyclohexane} est inférieure à la température d’ébullition de tous les autres constituants du mélange.

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Mé th o d e s

(10)

10 CHAPITRE 5

On a fait réagir des quantités égales d’alcool et d’acide telle que n¹=n₂=0,10 mol (mélange équimolaire). On obtient, après lavage et extraction, un volume V=9,9 mL d’éthanoate de butyle, liquide de densité d=0,88. Calculons le rendement η de la synthèse et expliquons le mode opératoire.

L’équation de la réaction, qui est une réaction de substitution car le groupe −OH du groupe carboxyle a été substitué par le groupe CH³−CH₂−CH₂−CH₂−O de l’alcool, s’écrit :

L’avancement final est donné par : x_f = ρ(ester)⋅V(ester)

M(ester) =0,88×9,9

116 =7,5⋅10⁻²mol. L’avancement maximal est : x^max =0,10 mol.

Le rendement de la transformation est donc : η= x_f

x_max =7,5⋅10⁻²

0,10 =0,75=75%. La constante d’équilibre de la réaction est donnée par : K= [ester]_eq⋅[eau]_eq

[acide]_eq⋅[alcool]_eq ; ici l’eau n’est pas un solvant mais un produit de la réaction donc son activité est égale à sa concentration.

Une élévation de la température permet d’augmenter la vitesse de formation des produits. C’est la raison pour laquelle le milieu réactionnel est chauffé en surmontant le ballon d’un réfrigérant droit afin que les vapeurs se condensent au contact des parois froides de celui-ci et retombent dans le milieu réactionnel en évitant ainsi les pertes de matière.

Par ailleurs on utilise un catalyseur, ici l’acide sulfurique, qui en modifiant le chemin de la réaction (cf. exercice 2.3.) permet également d’augmenter la vitesse de la réaction.

Dans le cas particulier de l’estérification, qui est une réaction athermique, augmenter la température ne change pas la constante d’équilibre et ne change pas le rendement qui est théoriquement de 67% pour un mélange équimolaire d’acide et d’alcool primaire.

Acide

éthanoïque Butan-1-ol Éthanoate

de butyle Eau

État initial 0,1 mol 0,1 mol 0 0

En cours 0,1−x 0,1−x x x

État final 0,1−x_f 0,1−x_f x_f x_f

nn 148 CHAPITRE 5

(11)

Mé th o d e s

K= [ester]_eq⋅[eau]_eq

[acide]_eq⋅[alcool]_eq = (x_f V )² (0,1−x_f

V )²

= x_f² (0,1−x_f)²

Le rendement théorique étant de 67%, x_f =0,67×0,1=0,067 mol.

D’où la valeur de la constante d’équilibre associée à la réaction : K= 0,067²

(0,1−0,067)² =4,1. Le montage de Dean-Stark a permis ici d’éliminer l’eau au cours de sa formation, celle-ci se condense avec le cyclohexane et s’accumule dans la burette latérale ; de cette manière on a toujours au cours de la transformation : Q_r,_i= [ester]_i⋅[eau]_i

[acide]_i⋅[alcool]_i<K . L’eau étant présente au numérateur du quotient de la réaction, éliminer l’eau déplace l’équilibre dans le sens direct de formation de l’eau en formant davantage d’ester conformément au critère d’évolution spontanée (cf. Ch.4) ; le rendement a été ainsi augmenté par rapport à la valeur théorique de 67%

correspondant au mélange équimolaire pour passer à 75%.

Voyons maintenant quel serait l’effet d’une augmentation du nombre de mole d’acide éthanoïque en ajoutant 0,1 mole d’acide éthanoïque au mélange réactionnel.

Acide

éthanoïque Butan-1-ol Éthanoate

de butyle Eau

État initial 0,2 mol 0,1 mol 0 0

En cours 0,2−x 0,1−x x x

État final 0,2−x_f 0,1−x_f x_f x_f

À l’équilibre K= [ester]_eq⋅[eau]_eq

[acide]_eq⋅[alcool]_eq = x_f²

(0,2−x_f)(0,1−x_f) avec toujours K=4,1 car la constante d’équilibre est indépendante de la composition initiale du système ; on est amené à résoudre l’équation du second degré : x_f²⋅(1−K)+0,3×K⋅x_f −K×0,02=0, ce qui donne

x_f =0,084 mol, ce qui conduit à un rendement de 84% par rapport à l’alcool.

Une autre possibilité pour augmenter le rendement de la réaction est donc de diminuer le quotient de la réaction initial en ajoutant un excès de l’un des réactifs dont la concentration est présente au dénominateur de Q_r,_i= [ester]_i⋅[eau]_i

[acide]_i⋅[alcool]_i. À nouveau on parvient à faire en sorte que Q_r,i<K pour que la transformation évolue dans le sens direct conformément au critère d’évolution spontanée.

Mé th o d e s

(12)

12 CHAPITRE 5

Méthode 5.3. Comment identifier une étape de protection ou de déprotection ?

Dans le cas d’une molécule polyfonctionnelle, il est parfois nécessaire de protéger l’un des groupements fonctionnels que présente la molécule afin que le réactif mis en présence de la molécule se fixe uniquement sur le groupement fonctionnel désiré. Dans un deuxième temps, une fois le réactif fixé au bon endroit sur la molécule, il s’agit de libérer le groupement fonctionnel qui a été bloqué en utilisant un autre réactif capable de le débloquer.

Exercice 5.3

Étudions l’exemple de la synthèse de l’aspartame.

Lors de la synthèse de l’aspartame, on utilise deux réactifs qui sont chacun des acides aminés présentant à la fois un groupe carboxyle et un groupe amine capables de réagir entre eux pour former un groupe amide selon la réaction :

Le réactif 1 est l’acide aspartique qui possède deux groupes carboxyle notés A et B et un groupe amine C.

Le réactif 2 est la phénylalanine qui possède un groupe carboxyle E et un groupe amine D.

Si on ne prend pas de précaution particulière, on envisage la formation d’au moins 5 produits différents résultant des réactions de A avec D, de B avec D, de B avec C ou de A avec C entre deux molécules du même réactif 1, ou encore de E avec D entre deux molécules du même réactif 2.

L’objectif est de réaliser la synthèse de l’aspartame dont la formule topologique est la suivante :

nn 150 CHAPITRE 5

(13)

Mé th o d e s

Il faut donc protéger les groupes A et C du réactif 1 ainsi que le groupe E du réactif 2 pour faire réagir entre eux les groupes B et D exclusivement, puis il faut déprotéger ces fonctions afin de les libérer et les retrouver dans le produit final.

D’où le schéma de synthèse permettant de synthétiser l’aspartame au laboratoire :

L’étape 1 permet effectivement de protéger le groupe amine C.

L’étape 2 permet de protéger le groupe A mais la réaction d’estérification n’étant pas sélective, le groupe B est également protégé lors de cette étape.

L’étape 3 permet la déprotection sélective de la fonction ester pour redonner le groupe B.

L’étape 4 permet d’augmenter la réactivité pour faciliter l’étape 6.

L’étape 5 permet de protéger le groupe E en formant un ester.

L’étape 6 est la réaction de couplage peptidique entre les deux fragments protégés.

L’étape 7 est la déprotection permettant de retrouver les groupes A et C dans l’aspartame ; il s’agit d’une réaction d’hydrogénation sous catalyse hétérogène en utilisant du palladium déposé sur du carbone.

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Mé th o d e s

(14)

14 CHAPITRE 5

Méthode 5.4. Comment déterminer la voie de synthèse la plus écoresponsable ?

– Déterminer la voie de synthèse qui respecte au mieux les principes d’une chimie écoresponsable, à savoir une voie de synthèse qui donne des produits chimiques plus sûrs, évite les déchets, les accidents, maximise l’économie d’atome, utilise des matières premières renouvelables, utilise des catalyseurs, utilise des solvants non nocifs pour l’homme et la nature, minimise l’utilisation d’énergie.

– Si P désigne le produit recherché obtenu par la réaction : aA+bB→ pP+qQ, l’utilisation atomique UA définie par :

UA = p⋅M(P)

p⋅M(P)+q⋅M(Q)= p⋅M(P) a⋅M(A)+b⋅M(B)

Elle est d’autant plus grande qu’il y a peu de sous-produits formés ; ainsi l’essentiel des atomes présents dans les molécules de réactif se retrouve dans la molécule du produit recherché.

Exercice 5.2

Deux procédés, le procédé BHC et le procédé Boots, conduisent à la synthèse de l’ibuprofène.

On admet que le procédé Boots qui se fait en six étapes a une utilisation atomique de 40%.

Déterminons l’utilisation atomique du procédé BHC qui s’effectue en trois étapes.

On commence par écrire les étapes avec les formules brutes des espèces chimiques mises en jeu.

Étape 1 : C¹⁰H₁₄+ C₄H₆O₃→C₁₂H₁₆O + C₂H₄O₂ Étape 2 : C¹²H₁₆O + H₂ ⎯ →^Ni⎯ C₁₂H₁₈O

Étape 3 : C¹²H₁₈O + CO ⎯ →^Pd⎯ C₁₃H₁₈O₂ : ibuprofène Le bilan global pour le procédé BHC est donc : C¹⁰H₁₄+ C₄H₆O₃+ H₂+ CO →C₁₃H₁₈O₂+ C₂H₄O₂

nn 152 CHAPITRE 5

(15)

UA = M(C₁₃H₁₈O₂)

M(C₁₀H₁₄)+M(C₄H₆O₃)+M(H₂)+M(CO)=13×12+18×1+2×16

15×12+22×1+4×16=0,774=77,4%.

Mé th o d e s

Le procédé BHC a une meilleure utilisation atomique que le procédé Boots, ce qui signifie qu’il forme moins de déchets et permet ainsi une plus grande économie d’atomes.

Par ailleurs, le procédé BHC utilise des catalyseurs au nickel Ni ou au palladium Pd, ce qui permet d’augmenter la vitesse de la réaction en évitant la consommation d’énergie inhérente au chauffage.

Enfin, le seul sous-produit obtenu à l’étape 1 est l’acide éthanoïque CH₃CO₂H, celui-ci peut être séparé du mélange réactionnel pour être valorisé, c’est en effet un précurseur de l’acétate de vinyle CH₃COO–CH=CH₂ utilisé pour la synthèse du polyacétate de vinyle

−(CH(−OCOCH₃)−CH₂)_n−, un polymère utilisé pour la fabrication de peintures et d’adhésifs.

Mé th o d e s

(16)

16 CHAPITRE 5

Vrai/Faux

Vrai Faux 1. L’oxydation de l’éthanol en acide éthanoïque lors de la fermentation

acétique par les bactéries est une modification de chaîne carbonée.

2. La recristallisation est une méthode de purification qui utilise la différence de solubilité du produit et des impuretés dans un solvant en

fonction de la température.

3. Le sulfate de sodium anhydre est utilisé comme catalyseur.

4. La filtration sous vide (Büchner) permet de séparer un solide d’une

phase liquide.

5. La transformation d’un alcool en alcène est une réaction d’addition.

6. La réaction entre un alcool R–OH et le chlorure d’hydrogène H–Cl conduisant à la formation d’un halogénonalcane R–Cl et de l’eau H₂O

est une réaction d’élimination.

7. La transformation d’un alcène en alcool est une réaction de substi-

tution.

8. La synthèse d’un unique dipeptide est possible à partir de deux acides

aminés R1–CH(NH2)–CO2H et R2–CH(NH2)–CO2H.

9. Les réactifs utilisés dans les étapes de protection et de déprotection

sont chimiosélectifs.

10. Jouer sur des facteurs cinétiques permet d’augmenter la vitesse de la

réaction et donc le rendement de la transformation.

nn 154 CHAPITRE 5

(17)

Énoncé des exercices

Exercice 5.1. Synthèse de l’acétate d’éthyle

L'acétate d'éthyle est un liquide utilisé comme solvant pour les vernis à ongles et certaines colles, en raison de sa faible nocivité et de sa volatilité importante, il est aussi utilisé dans l'industrie agroalimentaire dans certains arômes fruités.

La synthèse de l'acétate d'éthyle est facilement réalisable au laboratoire.

Un exemple de protocole expérimental est décrit ci-dessous :

Étape 1 : Dans un ballon de 100 mL, introduire un mélange équimolaire de 0,10 mol d'acide acétique et 0,10 mol d'éthanol. Y ajouter 0,5 mL d'acide sulfurique concentré H2SO4(l) et quelques grains de pierre ponce. Porter le mélange à ébullition dans un dispositif de chauffage à reflux pendant 30 minutes.

Étape 2 : Laisser refroidir le mélange réactionnel à l'air ambiant puis dans un bain d'eau froide.

Verser le contenu du ballon dans une ampoule à décanter contenant environ 50 mL d'eau salée.

Agiter prudemment quelques instants en dégazant régulièrement, puis éliminer la phase aqueuse.

Étape 3 : Ajouter alors à la phase organique 60 mL d'une solution aqueuse d'hydrogénocar- bonate de sodium (Na⁺_(aq)+ HCO₃⁻_(aq)) de concentration molaire _{1 mol}⋅L⁻¹.

Laisser dégazer et décanter puis éliminer la phase aqueuse. Recueillir la phase organique dans un bécher. Sécher cette phase avec du chlorure de calcium anhydre puis filtrer.

Recueillir le filtrat dans un erlenmeyer propre et sec.

Une synthèse réalisée au laboratoire en suivant ce protocole a permis d'obtenir un volume de filtrat égal à 5,9 mL.

Données : Couple acide/base: H₂O, CO_2(aq)/ HCO₃⁻_(aq) Acide

acétique Éthanol Acétate d'éthyle

Masse molaire ( g⋅mol⁻¹) 60,0 46,1 88,1

Masse volumique ( g⋅mL⁻¹) 1,05 0,789 0,925

Température d'ébullition (°C) 118 78,4 77,1

Température de fusion (°C) 16,6 –117 –83,6

Solubilité dans l'eau Très grande Très grande 87 g⋅L⁻¹ à 20 °C Solubilité dans l'eau salée Très grande Très grande Presque nulle 1. Réaction de synthèse

La synthèse de l'acétate d'éthyle est modélisée par la réaction d'équation : CH₃COOH_(l)+ C₂H₅OH_(l) CH₃COOC₂H_5(l)+ H₂O_(l)

a) Identifier, en justifiant votre réponse, les fonctions chimiques des molécules organiques intervenant dans la réaction de synthèse.

(18)

18 CHAPITRE 5

b) Quel est le nom de l'acétate d'éthyle en nomenclature officielle ? Utiliser les règles de nomenclature données dans la méthode 5.1.

2. Protocole expérimental

a) Parmi les montages suivants, justifier celui qu'il convient de choisir pour l'étape 1.

Pourquoi les deux autres montages ne conviennent-ils pas ?

b) Proposer un titre pour nommer chacune des trois étapes du protocole.

c) Justifier, en argumentant avec une équation de réaction si cela est nécessaire, le choix dans ce protocole des conditions opératoires suivantes :

– ajout d'acide sulfurique concentré, – chauffage à reflux,

– mélange avec de l'eau salée,

– ajout d'une solution aqueuse d'hydrogénocarbonate de sodium.

3. Rendement

a) Déterminer la valeur du rendement de la synthèse en expliquant la méthode mise en œuvre.

b) Est-il exact de dire que ce rendement est égal à la proportion d'éthanol consommé au cours de la transformation ? Commenter.

c) Donner deux méthodes qui permettent d’augmenter le rendement de la transformation.

Justifier celles-ci.

4. Le mécanisme réactionnel modélisant la réaction de synthèse de l'acétate d'éthyle à partir de l'acide acétique et l'éthanol comporte cinq étapes représentées ci-après.

nn 156 CHAPITRE 5

(19)

ELABORER DES STRATEGIES EN SYNTHESE ORGANIQUE 19 a) Quels groupes d'atomes correspondent respectivement aux lettres R et R' ?

b) Compléter les étapes 1 à 5 avec une ou plusieurs flèches courbes, si nécessaire. Que représentent ces flèches courbes ?

c) Donner la catégorie des réactions des étapes 2 et 4, dans le sens direct.

d) D'après le mécanisme proposé, quel est le rôle joué par H⁺ dans la synthèse de l'acétate d'éthyle ? Expliquer son action.

Source : d’après Bac Pondichéry, 2014 Exercice 5.2. Synthèse d’un dérivé de la phénylalanine

La littérature scientifique permet d’obtenir les informations suivantes : Document 1 : Protocoles de synthèse du dérivé de la phénylalanine Protocole n°1. Utilisation du triméthylchlorosilane

On introduit dans un ballon 10 g de phénylalanine. On additionne lentement, tout en agitant, 15 mL de triméthylchlorosilane. Un volume de 60 mL de méthanol est ensuite ajouté au mélange qui est agité pendant 12 heures à température ambiante. On procède à l’évaporation du solvant afin d’obtenir le produit souhaité. Le rendement de la synthèse est de 96%.

Protocole n°2. Utilisation du chlorure de thionyle

Dans un ballon, 10 g de phénylalanine sont mis en suspension avec 100 mL de méthanol. Sous agitation magnétique, le mélange réactionnel est refroidi à l’aide d’un bain d’eau glacée puis 6 mL de chlorure de thionyle sont ajoutés goutte à goutte. Le mélange est maintenu 24 heures sous agitation à température ambiante. Après évaporation du solvant, le produit obtenu est recristallisé dans un mélange d’éthanol et d’acétate d’éthyle. Le rendement est de 97%.

Protocole n°3. Utilisation de l’acide sulfurique

On introduit dans un ballon 15 g de phénylalanine, 27 mL de méthanol et 5 mL d’acide sulfurique. Le ballon est placé, sous agitation, dans un bain d’eau à 85°C pendant 4 heures. Un volume de 125 mL de méthanol est ajouté goutte à goutte au mélange par l’intermédiaire d’une ampoule de coulée. Simultanément, l’excès de méthanol est retiré du mélange. Après 4 heures, on traite l’huile obtenue. Le rendement est de 67%.

Document 2 : Informations concernant différentes espèces chimiques

Pictogramme Mentions de danger Tarif en 2012

Phénylalanine 16,90 € les 25 g

Méthanol

Liquide et vapeurs très inflam- mables. Toxique en cas d'ingestion. Toxique par contact cutané. Toxique par inhalation.

Risque avéré d'effets graves pour les organes.

10,90 € le litre

(20)

20 CHAPITRE 5

Triméthylchl orosilane

Liquide et vapeurs très inflam- mables. Nocif par contact cu- tané. Provoque des brûlures de la peau et des lésions oculaires graves.

Toxique par inhalation. Peut irriter les voies respiratoires.

23,30 € les 100 mL

Chlorure de thionyle

Nocif par inhalation. Nocif en cas d’ingestion. Provoque des brûlures de la peau et des lésions oculaires graves. Peut irriter les voies respiratoires.

22,90 € les 100 mL

Acide sulfurique

Provoque des brûlures de la peau et des lésions oculaires graves.

8,80 € le litre 1.1. À l’aide des documents, dégager l’(es) avantage(s) et l’(es) inconvénient(s) de chacun des trois protocoles proposés. Consigner les réponses dans un tableau.

1.2. Quel protocole vous paraît plus écoresponsable ? Justifier.

On se propose de préparer au laboratoire l’ester méthylique de la phénylalanine en adaptant le protocole n°3 au matériel disponible au laboratoire.

L’équation de la réaction est donnée ci-dessous :

C₆H₅

NH₂ OH O

C

H₃ OH C₆H₅

NH₂ O O

CH₃ H₂O

+ +

Protocole retenu :

On introduit dans un ballon une masse m = 16,5 g de phénylalanine et un volume V = 40 mL de méthanol. On ajoute quelques millilitres d’une solution aqueuse concentrée d’acide sulfurique.

On chauffe à reflux pendant quatre heures puis on laisse revenir le mélange à température ambiante.

Une solution d’hydrogénocarbonate de sodium est ensuite versée dans le ballon afin de neutraliser les acides présents dans le milieu réactionnel.

Le mélange est placé dans une ampoule à décanter et l’ester est extrait par du dichlorométhane.

La phase organique est recueillie, lavée et séchée sur du sulfate de sodium anhydre. Après filtration et évaporation du dichlorométhane, on recueille une masse m’ = 11,4 g d’ester.

Données

Phénylalanine Méthanol Ester méthylique de la phénylalanine

Masse molaire (g⋅mol⁻¹) 165 32 179

Eau Méthanol Dichlorométhane

Masse volumique ( g⋅mL⁻¹) 1,0 0,79 1,3

nn 158 CHAPITRE 5

(21)

ELABORER DES STRATEGIES EN SYNTHESE ORGANIQUE 21 2. Protocole expérimental

a) En analysant la nature des réactifs utilisés, quelles sont les précautions opératoires à respecter impérativement pour mettre en œuvre ce protocole ?

b) La réaction d’estérification est une réaction lente. Comment, dans ce protocole, la transformation chimique a-t-elle été accélérée ?

c) Dans le cas précis de cette synthèse, justifier l’impossibilité d’évaluer la durée de cette transformation chimique par un suivi par chromatographie sur couche mince.

d) Évaluer le rendement de cette synthèse organique en expliquant la démarche suivie.

e) Le protocole n°3 suggère l’utilisation d’un excès de méthanol. Justifier cette démarche.

3. Mécanisme réactionnel

On utilisera la formule simplifiée ci-contre pour la molécule de phénylalanine.

La première étape du mécanisme réactionnel, reproduite ci-dessous, permet d’illustrer le rôle des ions H⁺ dans la synthèse de l’ester méthylique.

Une fois fixés, les ions H⁺ permettent d’augmenter le caractère accepteur de doublets d’élec- trons d’un des atomes de la liaison C=O ce qui augmente la vitesse de la réaction à l’échelle macroscopique.

a) Quelle espèce chimique introduite dans le milieu réactionnel permet d’apporter les ions H⁺ nécessaires ?

b) Représenter la formule simplifiée de la molécule obtenue à l’issue de la première étape et localiser l’atome accepteur de doublets d’électrons de la liaison C=O.

c) Reproduire sur votre copie la première étape du mécanisme réactionnel et relier par une flèche courbe les sites donneur et accepteur d’électrons afin d’expliquer la formation de la nouvelle liaison.

d) Écrire la deuxième étape du mécanisme au cours de laquelle l’atome d’oxygène de la molécule de méthanol se fixe sur l’atome de carbone fonctionnel de l’espèce écrite en 3.b).

Source : d’après Bac Métropole, 2013 Exercice 5.3. Stratégie de synthèse

La Met-enképhaline (aussi appelée Tyr-Gly-Gly-Phe-Met) est un petit polypeptide, c'est-à-dire une molécule construite à partir de cinq acides α-aminés. Elle appartient à la famille des enképhalines, molécules ayant une action au niveau des neurones nociceptifs. Ces neurones interviennent dans le mécanisme de déclenchement de la douleur ; la capacité des enképhalines à inhiber ces neurones, c'est-à-dire à diminuer leur activité, leur confère une activité analgé- sique.

Le but de cet exercice est de montrer la complexité de la synthèse d'un polypeptide, même court, et de mettre en place une stratégie pour la dernière étape de la synthèse de la Met- enképhaline dont la formule topologique est donnée ci-dessous :

(22)

22 CHAPITRE 5

Document 1 : Exemples d'acides α-aminés présents dans l'organisme

Document 2 : Exemple de séquence de protection/déprotection d'une fonction amine Protection d'une fonction amine par le tert-butylcarbamate :

La déprotection qui permet de retrouver la fonction amine est assurée par la décomposition du produit obtenu en milieu acide à 25°C.

Document 3 : Exemple de séquence de protection/déprotection d'une fonction acide carboxylique

Protection d'une fonction acide carboxylique par estérification :

Cette réaction est équilibrée. Afin d'obtenir un bon rendement, et pour que la réaction puisse être considérée comme totale, il est nécessaire d'éliminer l'eau au fur et à mesure de sa formation, par exemple à l'aide d'un montage de Dean-Stark.

La déprotection de la fonction est assurée par la réaction inverse, appelée hydrolyse, à l'aide d'un catalyseur acide. Celle-ci est également équilibrée, et on utilise un grand excès d'eau afin de la réaliser avec un bon rendement.

nn 160 CHAPITRE 5

(23)

ELABORER DES STRATEGIES EN SYNTHESE ORGANIQUE 23 1. Mise en évidence de la difficulté de la synthèse peptidique

a) À quoi reconnaît-on que les molécules du document 1 sont bien des acides aminés ? b) Identifier les 4 acides α-aminés différents nécessaires à la synthèse de la Met-enképhaline.

c) Sur la copie, recopier et compléter l'équation de réaction ci-dessous entre un acide carboxylique et une amine. Entourer et nommer le nouveau groupe fonctionnel.

d) En déduire s'il est possible d'obtenir un seul dipeptide en faisant réagir deux acides α-aminés différents ensemble sans précaution particulière. Justifier simplement.

2. Dernière étape de synthèse de la Met-enképhaline

On envisage la dernière étape de la synthèse de la Met-enképhaline à partir des deux réactifs suivants.

Réactif A :

que l'on notera plus simplement :

Réactif B :

que l'on notera plus simplement :

a) Il est possible d'obtenir 4 pentapeptides à partir de ces deux réactifs. Les formules topologiques de deux d'entre eux sont données ci-dessous.

Donner celles des deux autres.

(24)

24 CHAPITRE 5

Pentapeptide 1 (Met-enképhaline) Pentapeptide 2

b) Déduire de la question précédente quelle fonction de chacun des réactifs A et B doit être protégée afin d'obtenir uniquement la Met-enképhaline.

c) À l'aide des documents, compléter le document ci-après présentant la suite de transforma- tions chimiques à mettre en place afin de réaliser la dernière étape de la synthèse de la Met- enképhaline.

1. Protection du réactif A

2. Protection du réactif B

3. Réaction entre le réactif A protégé et le réactif B protégé :

4. Déprotection de la fonction amine :

5. Déprotection de la fonction acide carboxylique :

Source : d’après Bac Nouvelle Calédonie, 2013

nn 162 CHAPITRE 5

(25)

Pour vous aider à démarrer

Exercice 5.1. Question 4 : comparer les représentations de Lewis des réactifs et des produits pour voir de quelle manière les déplacements de doublets se sont effectués au cours du mécanisme.

Exercice 5.2. Extraire des documents tous les éléments de comparaison entre les protocoles.

Exercice 5.3. Lors de la synthèse peptidique envisager toutes les combinaisons ou couplages possibles entre deux acides aminés différents, mais aussi deux acides aminés identiques.

(26)

26 CHAPITRE 5

Corrigé des vrai/faux

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Faux Vrai Faux Vrai Faux Faux Faux Faux Vrai Faux

1. La transformation de l’éthanol en acide éthanoïque n’est pas un changement de chaîne carbonée car elle reste constituée de deux atomes de carbone ; c’est une modification de groupe caractéristique car on passe d’un alcool à un acide carboxylique.

2. La recristallisation est effectivement une technique de purification qui utilise la différence de solubilité du produit et des impuretés dans un solvant en fonction de la température.

3. Le sulfate de sodium anhydre est utilisé pour sécher la phase organique en absorbant les molécules d’eau ; ce n’est pas un catalyseur.

4. La filtration sous vide (Büchner) permet de séparer un solide d’une phase liquide, et cela plus efficacement qu’une filtration classique.

5. La transformation d’un alcool en alcène est une réaction d’élimination car on passe d’une liaison simple à une liaison double.

6. La réaction entre un alcool R–OH et le chlorure d’hydrogène H–Cl conduisant à la formation d’un halogénonalcane R–Cl et de l’eau H2O est une réaction de substitution où l’atome de chlore Cl prend la place du groupe hydroxyle –OH.

7. La transformation d’un alcène en alcool est une réaction d’addition car on passe d’une liaison double à une liaison simple.

8. La synthèse d’un unique dipeptide n’est pas possible à partir de deux acides aminés aussi est-il nécessaire d’ajouter des étapes de protection et de déprotection.

9. Les réactifs utilisés dans les étapes de protection et de déprotection sont chimiosélectifs car leur rôle est de réaliser une transformation spécifique au niveau d’un unique groupe fonctionnel.

10. Augmenter la température augmente la vitesse de la transformation mais ne modifie pas nécessairement le rendement de la transformation ; ainsi si la transformation est exothermique dans le sens direct, augmenter la température déplacera l’équilibre dans le sens indirect dans le but d’absorber cet apport d’énergie. Il s’agit d’un principe généralisé par le chimiste français Le Chatelier selon lequel si on impose une modification à un système chimique en équilibre, le système évolue vers un nouvel état d’équilibre de manière à s’opposer à cette modification.

nn 164 CHAPITRE 5

(27)

Co rrigé

Corrigé des exercices

_________ Exercice 5.1 _______________________________

1. Réaction de synthèse a)

b) L’acétate d’éthyle est l’éthanoate d’éthyle en nomenclature officielle.

Méthode 5.1 2. Protocole expérimental

a) Le montage B est le montage utilisé pour le chauffage à reflux ; le montage A est un montage de distillation, utilisé pour la séparation des constituants d’un mélange en fonction de leur température d’ébullition, et le montage C est un montage d’hydrodistillation, utilisé pour entraîner des substances volatiles avec de la vapeur d’eau ; seul le montage B convient car le réfrigérant vertical qui surmonte le ballon permet de condenser les vapeurs qui retombent dans le mélange réactionnel permettant ainsi de chauffer sans perdre de matière.

b) Étape 1 : synthèse du produit l’ester en mélangeant un alcool et un acide carboxylique en présence d’un catalyseur.

Étape 2 : extraction du produit du mélange réactionnel en utilisant la non solubilité de l’ester dans l’eau salée.

Étape 3 : purification du produit en éliminant l’excès d’acide avec une base puis en éliminant l’eau avec un desséchant.

c) L’acide sulfurique joue le rôle de catalyseur ; le chauffage à reflux permet d’augmenter la cinétique de la réaction sans perdre de matière ; le mélange avec de l’eau salée facilite la séparation de la phase organique contenant l’ester de la phase aqueuse, en effet l’ester est moins soluble dans l’eau salée que dans l’eau ; l’ajout d’hydrogénocarbonate de sodium permet de détruire les ions H⁺ apportés par l’acide sulfurique en effet l’ion hydrogénocarbonate est une base qui réagit selon : HCO₃⁻+ H⁺→ CO_2(g)+ H₂O (réaction responsable d’une effervescence et qui oblige à dégazer régulièrement l’ampoule à décanter).

3. Rendement

a) Calculons la quantité de matière d’ester formé sachant que l’on recueille un volume V =5,9 mL de liquide. On utilise pour cela la donnée de la masse volumique de l’acétate d’éthyle ainsi n=ρ(g⋅mL⁻¹)⋅V(mL)

M(g⋅mol⁻¹) =0,925×5,9

88,1 =6,2⋅10⁻²mol.

Cor rig é

(28)

28 CHAPITRE 5

Par ailleurs, la quantité de matière maximale d’ester que l’on peut préparer est 0,10 mol car initialement le mélange équimolaire contient 0,10 mol de chacun des réactifs. Ainsi :

rendement η= quantité de matière de produit formé

quantité de matière maximale de produit que l'on peut espérer former.

rendement η=6,2⋅10⁻²

0,10 =6,2⋅10⁻¹=62%.

Méthode 5.2 b) Un tableau d’avancement permet de décrire l’évolution du système :

Acide acétique Éthanol Acétate d’éthyle Eau

État

initial 0,10 mol 0,10 mol 0 solvant

En cours 0,10 –x 0,10 –x x solvant

État final 0,10−x_f =3,8⋅10⁻²mol 0,10−x_f =3,8⋅10⁻²mol x_f =6,2⋅10⁻²mol solvant Etat

maximal 0,10 –xmax = 0 0,10 –xmax = 0 xmax = 0,10 mol solvant

La proportion d’éthanol consommé est 6,2⋅10⁻²

0,10 =62%, elle est égale au rendement.

c) Pour augmenter le rendement de la transformation, on peut soit ajouter un excès de l’un des réactifs, soit éliminer un produit au cours de sa formation. L’objectif dans le deux cas est d’avoir un quotient de la réaction inférieur à la constante d’équilibre conduisant l’équilibre à se déplacer dans le sens de la formation du produit.

4. Mécanisme réactionnel

a) R désigne ici le groupe méthyle –CH₃ et R’ le groupe éthyle –C₂H₅.

b) Les flèches courbes représentent les déplacements des doublets d’électrons.

nn 166 CHAPITRE 5

(29)

rrigé

c) L’étape 2 est une addition car on passe d’une liaison double à une liaison simple, l’étape 4 est une élimination car on passe d’une liaison simple à une liaison double.

d) L’ion H⁺ joue le rôle de catalyseur car il est consommé à l’étape 1 puis régénéré à l’étape 5.

On voit que son rôle est de former au cours de l’étape 1 une espèce plus susceptible de réagir avec l’alcool que ne l’est l’acide carboxylique ; en effet le carbone fonctionnel de l’intermédiaire réactionnel formé par l’étape 1 a une charge partielle positive exacerbée par rapport à l’acide carboxyilique, ce qui facilite l’approche du réactif donneur de doublet ou nucléophile qu’est l’alcool.

_________ Exercice 5.2 _______________________________

1.1.

Protocole 1 Protocole 2 Protocole 3

Avantage(s) Rendement élevé : 96% Rendement élevé : 97%

- Acide sulfurique moins toxique que les autres solvants

- Synthèse courte : 4 h Inconvénient(s) - Solvant toxique

- Synthèse longue : 12 h

- Solvant toxique - Synthèse longue : 24 h

Rendement peu élevé : 67%

Coût de la synthèse

10(16,90/25) + 15(23,30/100) +

60(10,90/1000) = 10,9 €

10(16,90/25) + 100(10,90/1000) + 6(22,90/100) = 9,2 €

15(16,90/25) + 5(8,80/1000) + (27+125)(10,90/1000)

= 11,8 €

Co r

Les protocoles 1 et 2 ont un meilleur rendement que le protocole 3 mais utilisent des produits plus dangereux.

1.2. Le protocole 3 paraît plus écoresponsable, les protocoles 1 et 2 utilisent des solvants toxiques qui sont éliminés par évaporation.

2. Protocole expérimental

a) Le port de la blouse, de gants et de lunettes est impératif pour mettre en œuvre ce protocole car l’acide sulfurique est corrosif. De plus le méthanol est toxique par inhalation, il faut donc travailler sous hotte aspirante.

b) La réaction est accélérée grâce au chauffage à reflux car la température est un facteur cinétique. On a également utilisé un catalyseur, l’acide sulfurique.

c) Dans le cas de cette synthèse, un suivi par chromatographie sur couche mince n’est pas possible car la réaction n’étant pas totale, il restera toujours des traces de réactif et on ne pourra pas conclure en ne voyant pas la disparition du réactif.

d)n(phénylalanine)= m(phénylalanine) M(phénylalanine)=16,5

165 =0,1 mol.

n(méthanol)= m(méthanol)

M(méthanol)=ρ(méthanol)⋅V(méthanol)

M(méthanol) =0,79×40

32 =0,99 mol.

Le mélange peut être considéré comme équimolaire.

Cor rig é

(30)

30 CHAPITRE 5

D’après la stoechiométrie de la réaction : n(ester)_formé

1 = n(phénylalanine)_consommé

1 , donc on peut

espérer former au maximum : n(ester)=0,1 mol or on a obtenu : n(ester)= m(ester)

M(ester)=11,4

179 =6,37⋅10⁻²mol donc le rendement de la synthèse est :

η= n(ester) obtenu

n(ester) que l'on peut obtenir au maximum =6,37⋅10⁻²

10⁻¹ =6,37⋅10⁻¹=63,7%.

e) L’utilisation d’un excès de l’un des réactifs permet d’augmenter le rendement d’une transformation limitée.

Méthode 5.2 3. Mécanisme réactionnel

a) Les ions H⁺ sont apportés par l’acide sulfurique H₂SO₄ qui est un diacide : H₂SO₄→2 H⁺_(aq)+SO₄²⁻_(aq).

b) Dans la molécule obtenue à l’issue de la première étape, l’atome d’oxygène de la double liaison C=O a gagné un proton H⁺ ; l’atome de carbone est un site accepteur de doublet car il est moins électronégatif que l’atome d’oxygène.

c) Le site donneur de doublet est l’atome d’oxygène, le site accepteur de doublet est le proton H⁺.

d) La deuxième étape du mécanisme s’écrit :

_________ Exercice 5.3 _______________________________

1. Mise en évidence de la difficulté de la synthèse peptidique

a) Les molécules du document 1 sont des molécules d’acides aminés car elles ont en commun de présenter le groupe –CH(NH2)–COOH où figurent à la fois un groupe amine (en position alpha du carbone fonctionnel) et un groupe carboxyle.

b) Les quatre acides aminés nécessaires à la synthèse de la Met-enképhaline sont : la tyrosine, la glycine, la phénylalanine et la méthionine. On les reconnaît dans la formule de la molécule et on les trouve présent dans son autre nom : Tyr-Gly-Gly-Phe-Met.

c) Le nouveau groupe fonctionnel est le groupe amide.

nn 168 CHAPITRE 5

(31)

Co rrigé

d) On ne peut pas obtenir un seul dipeptide en faisant réagir ensemble deux acides aminés différents, en effet chaque molécule présentant un groupe carboxyle et un groupe amine, on peut envisager la formation de deux amides différents par combinaison de ces deux molécules entre elles, on peut également envisager la formation de deux amides différents obtenus si les molécules d’acide aminé réagissent sur elles-mêmes.

2. Dernière étape de la synthèse de la Met-enképhaline

a) En faisant réagir la molécule A avec la molécule B, on peut envisager de former également :

En faisant réagir deux molécules A ensemble, on peut également former :

b) Afin d’obtenir uniquement la molécule de Met-enképhaline, il faut protéger le groupe amine du réactif B et le groupe carboxyle du réactif A.

c) Dernière étape de la synthèse 1. Protection du réactif A

La protection du groupe carboxyle du réactif A se fait par estérification avec le méthanol.

2. Protection du réactif B

La protection du groupe amine du réactif B se fait par formation d’un groupe amide.

Cor rig é

(32)

32 CHAPITRE 5

Il s’agit de la formation d’un amide suite à la réaction entre le groupe amine du réactif A protégé et le groupe carboxyle du réactif B protégé.

4. Déprotection de la fonction amine :

La décomposition en milieu acide permet de déprotéger la fonction amine du produit obtenu.

5. Déprotection de la fonction acide carboxylique :

L’hydrolyse à l’aide d’un catalyseur acide, en présence d’un excès d’eau, permet de déprotéger la fonction acide carboxylique.

3. Réaction entre le réactif A protégé et le réactif B protégé :

nn 170 CHAPITRE 5