Correction - La physique-chimie en BCPST 1A au lycée Hoche
Transcription
Correction - La physique-chimie en BCPST 1A au lycée Hoche
A. Guillerand – BCPST 1 A Lycée Hoche – Versailles – 2014/2015 Correction des exercices Correction du TD C15 - Introduction à la chimie organique – Réactions acidobasiques en chimie organique Exercice d’application 1 Différence d’acidité entre un alcool et un phénol 1. Différence d’acidité 2 Propriétés acido-basiques des alcools 1. Acidité 1.1. Obtention de l’ion alcoolate L’ion peut être obtenu en utilisant une base forte telle que la Représentons les bases conjuguées du phénol et du potasse alcoolique ou l’hydrure de sodium. Il peut aussi être cyclohexanol : obtenu par réduction de l’ion hydrogène par le sodium métallique. Figure 1 : Bases conjuguées L’ion phénolate est stabilisé par conjugaison alors que l’ion cyclohexanolate ne l’est pas. Figure 3 : Obtention de l’ion propan-2-olate 1.2. Mécanisme Voir figure précédente. 1.3. Propriété chimique L’atome d’oxygène de l’ion alcoolate est un meilleur nucléophile que celui de l’alcool correspondant. 2. Basicité 2.1. Réactifs L’ion alkyloxonium est obtenu par l’utilisation d’un acide fort tel que l’acide sulfurique ou l’acide phosphorique. Figure 2 : Formes mésomères de l’ion phénolate 2.2. Mécanisme La base conjuguée du phénol est donc plus stable que celle de cyclohexanol, le phénol est donc un acide plus fort que le cyclohexanol : d’où un plus faible. 2. Condition de déprotonation Pour déprotoner quantitativement un acide il faut utiliser une base plus forte que la base que l’on souhaite former. On peut donc utiliser les ions hydroxydes pour déprotoner le phénol, mais il faut une base plus forte pour déprotoner le cyclohexanol : les ions hydrure par exemple. On utilisera donc la potasse alcoolique pour le premier, et l’hydrure de sodium pour le deuxième. Figure 4 : Obtention de l’ion méthyloxonium Correction du TD C15 : Introduction à la chimie organique – Réactions acido-basiques en chimie organique 1 A. Guillerand – BCPST 1 A 2.3. Correction des exercices Lycée Hoche – Versailles – 2014/2015 Propriété chimique L’atome de carbone de l’ion méthyloxonium est plus électrophile que l’atome de carbone du méthanol (cf. chapitres suivants). Exercices d’entrainement 3 Acidité du cyclopentadiène Les atomes d’hydrogène du cyclopentadiène sont tous liés à des atomes de carbone. Si l’un deux est facilement arrachable cela signifie que la base formée doit être stabilisée par effet mésomère, car la liaison est très peu polarisée. Si l’on arrache un atome d’hydrogène porté par le seul carbone tétraédrique, on obtient une base stabilisée par effet mésomère. Figure 6 : Stabilisation de la base conjuguée En effet on peut obtenir deux formes de type énolate, alors que lorsqu’on arrache un des protons en bout de chaîne, seule une forme énolate pourra être représenté : Figure 5 : Base conjuguée du cyclopentadiène 4 Acido-basicité de carbonyles 1. Acidité de la propanone Figure 7 : Stabilisation de la base conjuguée 3. Condition opératoire La propanone est relativement acide car en arrachant ) il faut une base l’atome d’hydrogène porté par le carbone permet Pour déprotoner la propanone ( de supérieure : par exemple la LDA d’obtenir une base stabilisée par effet mésomère. (diisopropylamidure de lithium). 2. Acidité de la pentane-2,4-dione Pour déprotoner la pentane-2,4-dione ( ) on peut Sur la molécule de pentane-2,4-dione, le proton le plus utiliser la potasse (KOH) puisque le de la première acide est celui situé en des deux groupes mésomères acidité est inférieure à . En revanche la deuxième acidité électroattracteurs, car la charge sur la base conjuguée nécessiterait l’utilisation d’une base plus forte. obtenue sera plus délocalisée : Correction du TD C15 : Introduction à la chimie organique – Réactions acido-basiques en chimie organique 2 A. Guillerand – BCPST 1 A 5 Correction des exercices Basicité d’espèces azotées Lycée Hoche – Versailles – 2014/2015 conjugaison. Ainsi l’atome d’azote le plus basique est celui du groupe . 2. Différence de basicité 1. Guanidine Trois arguments possibles, un seul suffit. Il y a deux façons de déterminer l’atome d’azote le plus Premier argument : basique. Premier argument : Les doublets non liant des atomes d’azote sont engagés dans une délocalisation : ils sont donc moins disponibles que celui du groupe qui ne peut pas être délocalisé : Figure 8 : Délocalisation des doublets sur Ainsi l’atome d’azote le plus basique est celui dont le doublet n’est pas engagé dans une délocalisation, celui du groupement . Deuxième argument : On peut comparer la stabilité relative des acides conjugués obtenus selon que l’on protone sur ou sur un des . Figure 10 : Délocalisation du doublet non liant Le doublet non liant du pyrrole participe à la délocalisation de la molécule, ce qui n’est pas le cas de celui de la pyridine. Ainsi le doublet non liant de la pyridine est plus disponible, c’est donc une base plus forte, d’où un plus élevé. Deuxième argument : Figure 9 : Différents acides conjugués L’acide conjugué provenant de la protonation du groupe est plus stable que celui provenant de la protonation d’un groupe , car la charge positive peut être délocalisée par Figure 11 : Stabilisation de l’acide conjugué de la pyridine Correction du TD C15 : Introduction à la chimie organique – Réactions acido-basiques en chimie organique 3 A. Guillerand – BCPST 1 A Correction des exercices Figure 12 : Stabilisation de l’acide conjugué du pyrrole L’acide conjugué de la pyridine est beaucoup plus stabilisé par effet mésomère que celui du pyrrole. Ainsi la pyridine est une base plus forte que le pyrrole, d’où un plus élevé. Lycée Hoche – Versailles – 2014/2015 Figure 13 : Ions alcanoates La stabilisation par effet mésomère est la même : Troisième argument : En protonant le pyrrole on détruit l’aromaticité de la molécule, il n’y a plus électrons délocalisable dans le cycle. Tandis qu’en protonant la pyridine le cycle aromatique reste intact. Etant donné qu’un cycle aromatique est un facteur de stabilité d’une molécule il est très défavorable d’un point de vu énergétique de le détruire. Ainsi la pyridine se protone plus facilement que le pyrrole : c’est une base plus forte, d’où le plus élevé. 6 Force d’acides carboxyliques Figure 14 : Stabilisation par effet mésomère attracteur Si la stabilisation par délocalisation de la charge grâce aux Le tableau ci-dessous donne les à de trois effets mésomères attracteurs ne permet pat l’explication il diacides carboxyliques dans l’eau. On rappelle par ailleurs faut analyser la délocalisation de la charge grâce aux effets inductifs. Les liaisons entre atome de carbone et d’oxygène que le de l’acide éthanoïque vaut . sont polarisées : Les atomes d’oxygène étant plus électronégatif attirent à eux les électrons de la liaison. Acide butanedioïque (acide succinique) Acide (Z)-but-2-ènedioïque (acide maléique) Acide (E)-but-2-ènedioïque (acide fumarique) 1. Différence de entre mono acide et diacide Si le des diacides est plus faible que celui de l’acide Figure 15 : Stabilisation par effet inductif attracteur éthanoïque cela signifie que leur acidité est plus forte et donc que la base conjuguée est plus stable que celle de L’effet inductif se propage le long des liaisons en l’acide éthanoïque. Représentons les bases conjuguées : s’atténuant au fur et à mesure, mais permet à la charge négative de se répartir sur l’ensemble de la molécule (il y a des charges partielles négatives sur les différents atomes de la chaîne et la charge négative de l’oxygène est plus faible). La base conjuguée du diacide est donc plus stabilisée par effet inductif attracteur : elle se forme donc plus facilement, d’où un de l’acide plus faible. Correction du TD C15 : Introduction à la chimie organique – Réactions acido-basiques en chimie organique 4 A. Guillerand – BCPST 1 A Correction des exercices Lycée Hoche – Versailles – 2014/2015 L’effet est cependant plus faible dans le cas de l’effet inductif attracteur que dans le cas de l’effet mésomère attracteur. 2. Relation de stéréoisomérie Ce sont des diastéréoisomères. 3. Analyse des des acides fumarique et maléique Première acidité Il faut comparer les deux processus représentés figure 16 et 17. On choisit comme base l’eau, mais ce n’est pas important dans le raisonnement. Figure 18 : Réaction de deuxième déprotonation de l’acide maléique par l’eau Figure 19 : Réaction de deuxième déprotonation de l’acide fumarique par l’eau Figure 16 : Réaction de première déprotonation de l’acide maléique par l’eau Pour arracher le second proton de l’acide maléique, il faut non seulement rompre la liaison O−H, mais aussi la liaison hydrogène intramoléculaire. De plus, la dibase formée présente deux charges formelles négatives proches dans l’espace, ce qui est électrostatiquement défavorable ; pour arracher le second proton de l’acide fumarique, il faut rompre uniquement la liaison O−H. De plus, les charges formelles négatives sont plus éloignées que précédemment, et donc l’effet de champ électrostatique est moindre. Figure 17 : Réaction de première déprotonation de l’acide fumarique par l’eau Par conséquent, il est plus facile d’arracher le second proton de l’acide fumarique que de celui de la l’acide maléique, et Dans le cas de l’acide maléique, le fait d’arracher un donc le de l’acide maléique est plus grand que celui proton conduit à une base pour laquelle la liaison de l’acide fumarique. hydrogène est renforcée car elle s’établit avec un atome d’oxygène porteur d’une charge formelle −1, ce Remarque : tous ces raisonnements sont simplistes ; ils oublient en effet le rôle de la solvatation, qui est le plus qui est très favorable dans le cas de l’acide fumarique, il n’y a pas ce souvent loin d’être négligeable. phénomène particulier. Par conséquent, il est plus facile d’arracher le premier ion hydrogène de l’acide maléique que de celui de l’acide fumarique, et donc le pKa1 de l’acide maléique est plus petit que celui de l’acide fumarique. Deuxième acidité Il faut cette fois-ci comparer les deux processus représentés figures 18 et 19. Correction du TD C15 : Introduction à la chimie organique – Réactions acido-basiques en chimie organique 5