Synthèse organique : protocole et rendement

Pour chaque opération, écris l’étape du protocole : transformation, isolement, purification ou analyse.

1. Chauffer à reflux pendant 45 min le mélange des réactifs et du catalyseur :
   Les réactifs réagissent : transformation. Le reflux accélère la réaction sans perte de matière.
2. Filtrer sur Büchner les cristaux apparus dans le bain d’eau glacée :
   On sépare le produit brut du mélange réactionnel : isolement.
3. Dissoudre les cristaux dans un minimum d’éthanol bouillant, laisser refroidir, filtrer :
   C’est une recristallisation : elle retire des impuretés, c’est une purification.
4. Déposer le produit et une référence pure sur une plaque de chromatographie :
   La CCM contrôle l’identité et la pureté du produit : analyse.
5. Agiter la phase organique avec du sulfate de magnésium anhydre, puis filtrer :
   On retire les traces d’eau : séchage, donc purification.

Montage de chauffage à reflux (schéma de la partie 1 du cours). Complète.

1. L’eau froide entre dans le réfrigérant par l’olive du (haut ou bas).
   Par le bas : l’eau remplit tout le manchon avant de ressortir en haut ; entrée par le haut, elle s’écoulerait sans remplir le réfrigérant.
2. Dans le réfrigérant, les vapeurs se et retombent dans le ballon.
   Refroidies au contact du tube, les vapeurs se liquéfient et retombent : aucune espèce ne quitte le montage.
3. Les grains déposés au fond du ballon sont de la pierre
   La pierre ponce régularise l’ébullition.
4. Le chauffe-ballon repose sur un support , que l’on abaisse pour arrêter vite le chauffage.
   Le support élévateur permet d’écarter le chauffage d’un geste.
5. Si l’on bouchait le haut du réfrigérant, les vapeurs chauffées créeraient une dans le montage.
   Un montage fermé et chauffé subit une surpression qui peut le faire céder : le haut reste ouvert.

Un élève propose ce protocole pour fabriquer un ester à partir d’éthanol (ébullition à 78 °C) et d’un acide : « ① chauffer le mélange 1 h dans un bécher posé sur une plaque à 90 °C ; ② verser le contenu dans une ampoule à décanter avec de l’eau salée et garder la phase organique ; ③ peser le liquide obtenu. »

1. Dans un bécher ouvert chauffé à 90 °C, l’éthanol serait perdu par
   À 90 °C, au-dessus de 78 °C, l’éthanol bout : il est perdu par vaporisation et manque au mélange.
2. Il faut remplacer le bécher par un montage de chauffage à
   À reflux, les vapeurs d’éthanol se liquéfient dans le réfrigérant et retombent dans le ballon.
3. L’étape ② est l’étape d’
   On sépare le produit brut du mélange : isolement.
4. Le protocole ne comporte ni purification ni du produit.
   Il manque l’analyse (température d’ébullition, CCM, spectre IR) : rien ne prouve que le liquide pesé est l’ester, ni qu’il est pur.
5. Le liquide pesé à l’étape ③ contient encore des traces d’eau : la masse mesurée est trop
   L’eau s’ajoute à la masse de l’ester : la masse est trop grande, et le rendement calculé serait surestimé. Il manque un séchage.

Complète avec le mot du cours.

1. Un produit solide en suspension dans l’eau froide s’isole par sous vide.
   Filtration sous vide, sur entonnoir Büchner : plus rapide, solide moins humide.
2. Deux liquides non miscibles se séparent dans une ampoule à
   L’ampoule à décanter laisse couler la phase inférieure par son robinet.
3. Dans l’ampoule, la phase du bas est celle dont la densité est la plus
   La phase la plus dense est en dessous ; la moins dense, au-dessus.
4. L’éthanol ne convient pas pour extraire un produit d’une phase aqueuse, car il est à l’eau.
   Miscible à l’eau, l’éthanol ne forme pas deux phases : rien à séparer.

Un produit P, peu soluble dans l’eau, est à extraire d’une phase aqueuse de densité 1,0.

1. Solvant écarté parce qu’il est miscible à l’eau :
   La propanone se mélange à l’eau en toutes proportions : pas de deuxième phase.
2. Solvant écarté parce que P y est peu soluble :
   Le pentane forme bien deux phases, mais P y passerait mal : il resterait dans l’eau.
3. Avec l’éther diéthylique, la phase organique est en (haut ou bas).
   d = 0,71 < 1,0 : la phase organique est en haut.
4. Avec le dichlorométhane, la phase organique est en (haut ou bas).
   d = 1,33 > 1,0 : la phase organique est en bas, sous la phase aqueuse.
5. Des deux solvants qui conviennent, celui qui s’élimine le plus facilement ensuite, car il bout le plus bas :
   L’éther diéthylique bout à 35 °C, le dichlorométhane à 40 °C. Mais l’éther est très inflammable : on choisit selon les deux critères.

Un produit Q fond à 43 °C. Il est très peu soluble dans l’eau froide et un peu soluble dans l’eau chaude. En fin de synthèse, il est dans un mélange aqueux à 20 °C.

1. À 20 °C, Q est à l’état
   20 °C est en dessous de sa température de fusion (43 °C) : Q est solide.
2. On isole donc Q par sous vide.
   Un solide en suspension s’isole par filtration sous vide.
3. On rince les cristaux avec de l’eau (froide ou chaude).
   De l’eau froide, où Q est très peu soluble : le rinçage enlève les impuretés sans dissoudre Q.
4. Pour sécher Q à l’étuve, la température doit rester inférieure à °C.
   Au-dessus de 43 °C, Q fondrait sur le verre de montre.

Complète avec le mot du cours.

1. Pour éliminer l’acide restant dans une phase organique, on la lave avec une solution d’hydrogénocarbonate de
   L’hydrogénocarbonate de sodium réagit avec les acides.
2. Ce lavage dégage un gaz, le dioxyde de : on ouvre souvent le robinet de l’ampoule.
   Le dioxyde de carbone formé ferait monter la pression dans l’ampoule bouchée.
3. Le sulfate de magnésium anhydre retire les traces d’ d’une phase organique.
   C’est un desséchant : il fixe l’eau ; on le retire ensuite par filtration.
4. Un solide se purifie par
   Recristallisation dans un solvant où il est très soluble à chaud et peu soluble à froid.
5. Un liquide se purifie souvent par
   Distillation : on sépare d’après les températures d’ébullition.

Un solide S est soluble dans l’eau à 60 g·L⁻¹ à 100 °C et à 2,0 g·L⁻¹ à 20 °C. On recristallise dans l’eau 4,45 g de produit brut, formé de 4,20 g de S et de 0,25 g d’impuretés qui restent dissoutes à froid.

1. Volume minimal d’eau bouillante pour dissoudre les 4,20 g de S : mL
   V = 4,20 ÷ 60 = 0,070 L = 70 mL.
2. Masse de S restée dissoute à 20 °C : g
   2,0 × 0,070 = 0,14 g de S restent dans le filtrat.
3. Masse maximale de S pur recueillie : g
   On perd 0,14 g des 4,20 g de S : au plus 4,20 − 0,14 = 4,06 g.
4. Si l’on avait utilisé 150 mL d’eau, la masse de S perdue aurait été de g.
   2,0 × 0,150 = 0,30 g : plus du double des 0,14 g perdus avec 70 mL. D’où le « minimum de solvant chaud ».

Un mélange contient trois liquides miscibles : A (ébullition à 56 °C), B (98 °C) et C (156 °C). On le distille.

1. Le premier liquide recueilli est
   A, le plus volatil : sa température d’ébullition est la plus basse.
2. Pendant qu’il distille, le thermomètre en tête de colonne indique environ °C.
   La température des vapeurs reste vers 56 °C tant que A distille seul.
3. Quand la température monte vers 98 °C, c’est qui distille.
   A est épuisé, B passe à son tour.
4. Le liquide qui reste dans le ballon à la fin est
   C bout à 156 °C : il reste dans le ballon.
5. Pour séparer B d’un liquide D qui bout à 102 °C, on ajoute une colonne de
   4 °C d’écart seulement : il faut une distillation fractionnée, avec une colonne de Vigreux.

Complète.

1. Sur le banc Kofler, une espèce impure fond à une température plus que la valeur des tables.
   Les impuretés abaissent la température de fusion, et la fusion s’étale sur plusieurs degrés.
2. Une tache a migré de 2,7 cm, le front de l’éluant de 6,0 cm : R_f =
   R_f = 2,7 ÷ 6,0 = 0,45.
3. Un rapport frontal n’a pas d’
   Quotient de deux distances : sans unité, entre 0 et 1.
4. Une tache du produit à la hauteur de celle d’un réactif montre qu’il reste du
   Même R_f : même espèce. Il reste du réactif dans le produit.

On synthétise du paracétamol à partir de 4-aminophénol. On réalise une CCM avec trois dépôts : P (produit brut), R (4-aminophénol), C (paracétamol commercial). Après élution et révélation sous UV, le front est à 7,4 cm de la ligne de dépôt ; P donne deux taches, à 3,1 cm et 1,6 cm ; R une tache à 1,6 cm ; C une tache à 3,1 cm. Le produit brut fond à 158 °C ; après recristallisation dans l’eau, à 168 °C. Tables : 169 °C.

1. R_f de la tache à 3,1 cm :
   3,1 ÷ 7,4 ≈ 0,42.
2. R_f de la tache à 1,6 cm :
   1,6 ÷ 7,4 ≈ 0,22.
3. Le produit brut contient du paracétamol et du qui n’a pas réagi.
   Sa tache à R_f ≈ 0,22 est au niveau de R : il reste du 4-aminophénol.
4. Après recristallisation, la fusion à 168 °C montre que le produit est pratiquement
   168 °C égale la valeur des tables à 1 °C près (précision du banc) : produit pratiquement pur, alors que 158 °C signalait un produit impur.
5. On refroidit dans l’eau glacée avant de filtrer, car cela diminue la du paracétamol dans l’eau.
   À froid, la solubilité du paracétamol baisse : il cristallise davantage et l’on en perd moins dans le filtrat.

On oxyde le pentan-3-ol (ébullition à 115 °C) en pentan-3-one (ébullition à 102 °C). Le spectre IR du liquide obtenu présente une bande forte et fine vers 1 715 cm⁻¹ et une bande large, peu intense, vers 3 350 cm⁻¹.

1. La bande vers 1 715 cm⁻¹ signale une liaison
   Bande forte et fine entre 1 650 et 1 730 cm⁻¹ : liaison C=O d’une cétone.
2. La bande large vers 3 350 cm⁻¹ signale une liaison
   Bande large entre 3 200 et 3 400 cm⁻¹ : liaison O–H d’un alcool (liée par liaisons hydrogène).
3. Le liquide obtenu contient donc encore du
   La cétone est formée, mais il reste du pentan-3-ol.
4. Pour l’en séparer, on réalise une distillation
   13 °C d’écart entre 102 °C et 115 °C : une distillation fractionnée, avec colonne de Vigreux.
5. Au cours de cette distillation, le liquide qui passe le premier est la
   La pentan-3-one bout le plus bas (102 °C) : elle distille la première.

Complète (rendements en %, arrondis à l’unité si besoin).

1. n_obtenue = 0,0360 mol et n_max = 0,0450 mol : η = %
   η = 0,0360 ÷ 0,0450 = 0,80, soit 80 %.
2. m_obtenue = 6,3 g et m_max = 8,4 g : η = %
   η = 6,3 ÷ 8,4 = 0,75, soit 75 %.
3. Avec 0,060 mol de réactif limitant et une mole de produit pour une mole de ce réactif : n_max = mol
   n_max = 0,060 mol.
4. Un élève trouve η = 1,08 : son produit est sans doute encore
   Un rendement ne dépasse jamais 1 : le produit pesé contient de l’eau, du solvant ou des impuretés. Il est humide ou impur.

On fabrique de l’acétanilide C₈H₉NO (M = 135 g·mol⁻¹) à partir de 5,0 mL d’aniline C₆H₇N (M = 93 g·mol⁻¹, ρ = 1,02 g·mL⁻¹) et d’anhydride éthanoïque en excès ; une mole d’aniline donne une mole d’acétanilide. On recueille 5,62 g d’acétanilide sec.

1. Masse d’aniline introduite : g
   m = ρ × V = 1,02 × 5,0 = 5,10 g.
2. Quantité d’aniline : ≈ mol
   n = 5,10 ÷ 93 ≈ 0,0548 mol.
3. Masse maximale d’acétanilide : ≈ g
   L’anhydride est en excès : l’aniline est limitante. m_max ≈ 0,0548 × 135 ≈ 7,40 g.
4. Rendement : ≈ %
   η ≈ 5,62 ÷ 7,40 ≈ 0,759, soit 75,9 %.
5. Un camarade divise la masse d’acétanilide obtenue par la masse d’aniline et trouve plus de 100 %. Il compare des masses d’espèces qui n’ont pas les mêmes masses
   Son calcul donne 5,62 ÷ 5,10 ≈ 1,10. Une mole d’aniline (93 g) donne une mole d’acétanilide (135 g) : on compare des quantités de matière, ou deux masses du même produit. Leurs masses molaires diffèrent.

Une synthèse suit l’équation A + 2 B → C + 2 H₂O. On mélange 6,00 g de A (M = 120 g·mol⁻¹) et 6,66 g de B (M = 74,0 g·mol⁻¹) ; M(C) = 232 g·mol⁻¹. Le produit, pesé à la sortie du Büchner, a une masse de 11,20 g ; après une nuit à l’étuve, de 8,35 g.

1. n(A) = mol
   n(A) = 6,00 ÷ 120 = 0,0500 mol.
2. n(B) = mol
   n(B) = 6,66 ÷ 74,0 = 0,0900 mol.
3. x_max = mol
   A (nombre stœchiométrique 1) : 0,0500 mol ; B : 0,0900 ÷ 2 = 0,0450 mol. Le plus petit : x_max = 0,0450 mol, B est limitant bien qu’il y en ait davantage.
4. Masse maximale de C : ≈ g
   n_max(C) = x_max = 0,0450 mol ; m_max = 0,0450 × 232 ≈ 10,44 g.
5. Rendement calculé avec le produit sec : ≈ %
   η ≈ 8,35 ÷ 10,44 ≈ 0,800, soit 80,0 %.
6. Calculé avec la masse avant séchage, on aurait trouvé ≈ %, valeur impossible.
   11,20 ÷ 10,44 ≈ 1,073, soit 107,3 % : le produit contenait encore de l’eau.