Exercices livre P 492 - pontonniers
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Exercices P 492 – Stratégie de synthèse Exercice n°3 : a. 2-nitro-benzaldéhyde : C7H5O3N M = 7×12 + 5 + 3×16 + 14 = 151g.mol-1 Quantité de matière : n = m/M A.N. n = 0,500/151 = 3,31×10-3 mol b. Quantité de matière d’acétone : nacétone = ρ × V / M avec ρ = d . ρeau A.N. nacétone = 0,79×1000 × 10×10-3 / (12×3 + 6 + 16) = 1,36×10-1mol c. Quantité de matière d’ions hydroxyde : nOH = C . V A.N. nOH = 2 ×2,5×10-3 = 5×10-3 mol d. Rôle de l’eau distillée : solvant ; permet la dissolution de tous les réactifs et favorise leur rencontre Exercice 4 : Réactif limitant : x=0 X xmax 3,31×10-3 -3 3,31×10 – 2x -3 3,31×10 – 2xmax 1,36×10-1 -1 1,36×10 – 2x Le nitrobenzaldéhyde est limitant. Exercice 5 : -3 5×10 – 2x -1 1,36×10 – 2xmax Si le nitrobenzaldéhyde est limitant : Si l’acétone est limitant : Si les ions hydroxyde sont limitant : 5×10-3 -3 5×10 – 2xmax 0 x xmax xmax = 3,31×10-3/2 = 1,66×10-3 mol xmax = 1,36×10-1/2 = 6,8×10-2 mol xmax = 5×10-3 / 2 = 2,5×10-3 mol Exercice 6 : Sécurité : blouse, lunette, gants de protection Pour le benzaldéhyde : sous la hotte + masque Exercice 7 : Il faut filtrer. On utilise un Büchner (filtration sous pression réduite) Exercice 8 : On identifie par chromatographie ou par analyse de spectres IR / RMN On peut aussi vérifier la température de fusion du produit (banc Koffler) On purifie par recristallisation du produit dans un solvant approprié. Exercice 9 : Groupe carbonyle Cette espèce est coloré parce qu’elle compte un grand nombre de liaisons conjugués successives (au moins 7) Le spectre A est un spectre UV-visbile : Le maximum d’absorption se fait pour des longueurs d’ondes comprises entre 550 et 650nm (correspondant à des couleurs verte à rouge). La couleur de la molécule est bleue. Le spectre B correspond au spectre IR. N–H Groupe carbonyle N –H en phase condensée C = 0 d’un groupe carbonyle 3100 – 3300 1700 – 1740 (-20 cm-1 si liaison conjuguée) large fine Forte forte Exercice n°10 Rendement de la synthèse : En utilisant le tableau de l’exercice 4, on constate que théoriquement, si la réaction est totale, on devrait obtenir xmax = 1,66×10-3 mol d’indigo, mth = 1,66×10-3 × (16×12 + 10 + 2×16 + 2×14) = 4,35×10-3g soit Le rendement de la synthèse est donc (435mg) ρ = 375 / 435 × 100 = 86 % Exercice n°12 a. Réactifs : benzaldéhyde et ions hydroxyde Produits : acide benzoïque et alcool benzylique b. On réalise la dissolution de la soude dans un bain d’eau glacée car cette dissolution est une réaction très exothermique (dégage beaucoup de chaleur) et pourrait entraîner des projections, voire un éclatement de la verrerie utilisée. Le benzaldéhyde est probablement irritant pour les voies respiratoires et les yeux ; il faut donc le manipuler sous une hotte aspirante. c. Lors de l’ajout d’eau dans le mélange réactionnel en fin de réaction, on peut supposer que tous les ions OH- n’ont pas réagi : ils ont été introduits en excès au début de la réaction. Vérification : nOH- = mOH- / M A.N. mOH- = 10/40 = 0,25mol nbenzal. = ρ.V / M A.N. nbenzl. = 1,05×10 / (7×12 + 6 + 16) = 1,0×10-1 mol (Rq : ρ = 1,05g.mL-1 recherchée sur internet) Tableau d’avancement : x=0 x xmax 1,0×10-1 1,0×10-1 – 2x 1,0×10-1 – 2xmax 2,5×10-1 2,5×10-1 – x 2,5×10-1 – xmax Si le benzaldéhyde est limitant : xmax = 5,0×10-2 mol Si l’ion hydroxyde est limitant : xmax = 2,5×10-1mol C’est bien le benzaldéhyde qui est limitant et xmax = 5,0×10-2 mol Les ions OH- étant en large excès, la solution obtenue est très basique. D’après le diagramme de prédominance du couple acide benzoïque / ion benzoate, on a donc obtenue des ions benzoate C6H5 – COOC6H5-COO- C6H5-COOH 4,2 pH L’ion benzoate est très soluble dans l’eau. En effet, on peut constater que la solubilité du benzoate de sodium dans l’eau à 20°C est de 650g.L-1 ! (données wikipédia) d. Après extraction, on peut supposer que l’ion benzoate et les ions hydroxydes sont restés dans la phase aqueuse, alors que l’alcool benzylique formé se retrouve dans la phase organique (alcool benzylique moins soluble dans l’eau que dans un solvant organique). e. On acidifie la solution pour transformer les ions benzoate en acide benzoïque, par la réaction suivante : C6H5 – COO-(aq) + H3O+(aq) C6H5 – COOH(aq) + H2O(l) En diminuant le pH de la solution jusqu’à pH<4,2, on obtient une solution dans laquellle la forme acide prédomine. f. L’acide benzoïque est peu soluble en solution aqueuse (seulement 2,9g.L -1 à 20°C). C’est donc lui qui précipite. Les ions OH- en excès restent en solution. Exercice n°13 a. Groupes caractéristiques : Amino Hydroxyle Groupe caractéristique de la fonction amide b. Réactifs : Produit d’intérêt : Produit secondaire : para-amino-phénol + anhydride acétique paracétamol Acide acétique c. Equation de la réaction : OH OH O O + NH2 Para-aminophénol O O anhydride acétique + NH O paracétamol OH acide acétique d. On choisit le produit le plus cher comme produit limitant. Il sera entièrement consommé au cours de la réaction (comme la réaction est totale). Le produit en excès n’est pas entièrement consommé au cours de la réaction. Le produit le plus cher est le para-aminophénol : 192€.kg-1 (contre 33 €.kg-1 pour l’anhydride acétique). C’est l’anhydride acétique qu’on introduit en excès. Exercice n°14 a. Réactifs : alcool benzylique et ions hypochlorite (présents dans l’eau de Javel) Produits : benzaldéhyde (+ ion chlorure et eau) b. Le solvant de la phase organique est de l’acétate d’éthyle. Le solvant de la phase aqueuse est l’eau ( !) c. L’alcool benzylique est dissous dans de d’acétate d’éthyle. L’eau de Javel est une solution aqueuse d’ions hypochlorite et d’ions sodium (Na+(aq) + ClO-(aq)) d. Le catalyseur permet de faire passer les ions ClO- dans la phase organique. La réaction entre les ions ClO- et l’alcool benzylique est alors possible. Les ions Cl- formés au cours de la réaction repassent en solution aqueuse en emportant le catalyseur vers la phase aqueuse. e. Rendement de la synthèse : On commence par calculer la masse de produit qu’on devrait théoriquement obtenir. Pour cela, on doit déterminer le réactif limitant ainsi que la quantité de benzladéhyde formé en utilisant un tableau d’avancement : x=0 x xmax 10 10 – x 10 – xmax 21 21 – x 21 – xmax 0 x xmax Si l’alcool est limitant : xmax = 10 mmol Si les ions hypochlorites sont limitant xmax = 21mmol D’est donc l’alcool qui est limitant et xmax = 10mmol La quantité théorique de benzaldéhyde formée est : mth = xmax . M A.N. mth = 10× (7×12 + 5 + 16) = 1,0×103 mg Rendement : ρ = mth /mexp ×100 A.N. ρ = 0,880 / 1,0 × 100 = 88% Exercice n°17 a. L’aspect laiteux est dû à la dispersion de gouttelettes en suspension dans la phase aqueuse. On a ainsi obtenu une émulsion. b. On peut procéder à une extraction liquide-liquide en utilisant une ampoule à décanter. c. On utilise un solvant qui n’est pas miscible à l’eau et dans lequel l’eugénol y est plus soluble que dans l’eau. On a le choix entre l’éthoxyéthane, le cyclohexane et le dichlorométhane. On utilise le moins toxique et polluant des trois : éthoxyéthane d. Procotole expérimental : - Introduire le distillat dans l’ampoule à décanter - Ajouter 10mL de solvant. - Agiter et dégazer régulièrement - Récupérer la phase organique : celle du dessus - Rq : on peut recommencer l’extraction plusieurs fois en ajoutant 10mL de solvant à la phase aqueuse ; on réunit les phases organiques. Exercice n°21 a. Réaction d’oxydation : C6H5CH2OH(aq) + 5 HO−(aq) = C6H5CO2-(aq) + 4 H2O(l) + 4 eMnO4–(aq) + 2 H2O(l) + 3 e− = MnO2(s) + 4 HO−(aq) ×3 ×4 3 C6H5CH2OH(aq) + 4 MnO4–(aq) 3 C6H5CO2-(aq) + 4 MnO2(s) + HO-(aq) + 4 H2O(l) b. Réactifs : alcool benzylique et ions permanganate Produits : ion benzoate, dioxyde de manganèse Solvant : eau avec OH- (solution basique) c. Lors de la première filtration, on élimine le solide formé au cours de la réaction écrite : dioxyde de manganèse MnO2. d. L’ion benzoate se trouve dans le filtrat : c’est la base conjuguée de l’acide benzoïque Le filtrat est en effet une solution très basique en raison des ions OH- produits par la réaction. C6H5-COO- C6H5-COOH 4,2 pH e. On acidifie la solution pour transformer les ions benzoate en acide benzoïque, par la réaction suivante : C6H5 – COO-(aq) + H3O+(aq) C6H5 – COOH(aq) + H2O(l) En diminuant le pH de la solution jusqu’à pH<4,2, on obtient une solution dans laquellle la forme acide prédomine. f. Interprétation CCM : Le précipité est constitué d’un produit pur (1 seule tache) ; il s’agit bien d’acide benzoïque (même hauteur que le produit pur de référence). On constate que dans le filtrat, on a bien de l’alcool benzylique qui n’a pas réagi. On n’a pas attendu assez longtemps pour que la transformation soit terminée. De plus, on constate que lors de la filtration, on a perdu de l’acide benzoïque qui est passé au travers du filtre. Pour ces 2 raisons, le rendement sera inférieur à 100%. g. Calcul du rendement : On commence par calculer les quantités de réactifs mis en présence : nalcool = malcool / Malcool A.N. nalcool = 2,0 / 108 = 1,85×10-2 mol nMnO4- = C . V A.N. nMnO4- = 0,25×0,100 = 2,5×10-2 mol Recherche du réactif limitant : tableau établi en mmol 3 C6H5CH2OH(aq) + 4 MnO4–(aq) 3 C6H5CO2-(aq) + 4 MnO2(s) + HO-(aq) + 4 H2O(l) x=0 x xmax 19 19 – 3x 19 – 3xmax 25 25 – 4x 25 – 4xmax 0 3x 3xmax Si l’alcool est limitant : xmax = 19/3 = 6,3 mmol Si les ions permanganantes sont limitants : xmax = 25/4 = 6,3 mmol On peut considérer que les réactifs sont introduits en proportion stoechiométriques et que xmax = 6,3mmol AU cours de la réaction, il se forme donc 3x max = 19mmol d’acide (d’abord d’ions benzoate, mais chaque ion produit 1 molécule d’acide) La masse d’acide attendue est : mth = nth . Macide A.N. mth = 19×10-3 × 122 = 2,3 g Le rendement est donc : ρ = 1,8/2,3 × 100 = 78% h. Le spectre 1 correspond à l’alcool benzylique : il y a 3 groupes de H différents sur la molécule donc 3 signaux : - Le singulet d’intégration 2 correspond au H du groupe – CH2 – considérés sans voisin - Le singulet d’intégration 1 correspond au H du groupe – OH (considéré sans voisin) - Le massif d’intégration 5 correspond aux H portés par les carbone du cycle benzénique Le spectre 2 correspond à l’acide benzoïque : Il y a 2 groupes de H différents sur la molécules donc 2 signaux : - Le singulet d’intégration 1 correspond au H du groupe – COOH (sans voisin) - Le massif d’intégration 5 correspond aux H portés par les carbone du cycle benzénique Remarque : Le plus souvent, un atome d’hydrogène porté par un atome d’oxygène n’est pas considéré comme voisin d’autres atomes d’hydrogène.