Ressources · Terminale · Spécialité Physique-Chimie

Stratégies de synthèse : réactions, optimisation, protection

Q: Comment reconnaître une substitution, une addition ou une élimination ?

On compare le réactif organique et le produit. Substitution : un atome ou un groupe est remplacé par un autre sur le même carbone, sans liaison multiple créée ni rompue. Addition : un seul produit, une liaison multiple devient simple. Élimination : une liaison multiple se forme et une petite molécule (H₂O, HBr) est libérée. Si un oxydant ou un réducteur réagit, c’est une oxydoréduction ; si seul un ion H⁺ change de place, une réaction acide-base.

Q: Comment tracer une flèche courbe ?

On polarise d’abord les liaisons avec les électronégativités. La flèche part d’un doublet du site donneur (doublet non liant, liaison double, atome chargé négativement) et pointe vers le site accepteur (atome chargé positivement ou δ+). Si l’atome accepteur dépasse alors son octet, ou son duet pour H, une seconde flèche rompt l’une de ses liaisons vers l’atome le plus électronégatif. La charge totale est conservée.

Q: Comment accélérer une synthèse organique ?

On élève la température (chauffage à reflux, sans perte de matière grâce au réfrigérant), on garde des concentrations élevées (peu ou pas de solvant), on ajoute un catalyseur (ions H⁺, enzyme, métal) et on agite. Ces opérations font atteindre plus vite l’état final, sans le changer.

Q: Comment augmenter le rendement d’une estérification ?

L’estérification n’est pas totale : à l’équilibre, Qr = K, environ 4 pour un alcool primaire, soit 67 % de rendement pour un mélange équimolaire. On met un réactif en excès ou on élimine un produit (eau piégée par un Dean-Stark, ester distillé) : Qr devient inférieur à K et le système évolue dans le sens direct. Le catalyseur ne change pas le rendement.

Q: À quoi sert une protection en synthèse organique ?

Quand aucun réactif de la banque n’est chimiosélectif, on rend inerte le groupe à préserver (protection), on réalise la transformation voulue, puis on régénère ce groupe (déprotection). Ces deux étapes de plus abaissent le rendement global, égal au produit des rendements des étapes.

Q: Comment calculer l’économie d’atomes d’une réaction ?

On divise la masse molaire du produit visé, multipliée par son nombre stœchiométrique, par la somme des masses molaires des réactifs multipliées par leurs nombres stœchiométriques ; le catalyseur ne compte pas. Une addition a une économie d’atomes de 100 %. Ce n’est pas le rendement, qui se mesure.

Catégories de réactions (substitution, addition, élimination, acide-base, oxydoréduction), sites donneur et accepteur et flèches courbes des mécanismes, optimisation de la vitesse et du rendement d’une synthèse, séquences en plusieurs étapes, protection et déprotection, synthèse écoresponsable.

À propos de cette page

Ce cours de physique-chimie de terminale spécialité présente les stratégies de synthèse organique en six parties : reconnaître une substitution, une addition, une élimination, une réaction acide-base ou une oxydoréduction ; tracer les flèches courbes d’un mécanisme à partir des sites donneur et accepteur ; accélérer une synthèse ; augmenter le rendement d’une estérification par un excès de réactif ou un Dean-Stark ; enchaîner des étapes et protéger un groupe ; juger une synthèse par l’économie d’atomes, les solvants et l’énergie.

Reconnaître la catégorie d’une réaction

Rappel. Les familles des alcools, aldéhydes, cétones et acides carboxyliques ont été vues en première (Structure des entités organiques) ; celles des esters, amines, amides, halogénoalcanes et les alcènes, dans Structure : formules topologiques, isomérie et polymères.

Ce qu’il faut savoir

Une synthèse enchaîne des réactions ; chacune se range dans une catégorie, que l’on trouve en comparant les réactifs et les produits.

Catégorie	Ce qui se passe	Repère
substitution	un atome ou un groupe porté par un carbone est remplacé par un autre	en général deux réactifs et deux produits ; aucune liaison multiple n’apparaît ni ne disparaît
addition	deux molécules s’unissent ; une liaison multiple (C=C, C=O) devient simple	un seul produit
élimination	une molécule perd deux atomes ou groupes portés par deux atomes voisins ; une liaison multiple se forme	une petite molécule est libérée (H₂O, HBr…)
acide-base	un ion H⁺ passe d’un acide à une base (deux couples acide/base)	chaîne et squelette inchangés ; le groupe passe de sa forme acide à sa forme basique, ou l’inverse
oxydoréduction	des électrons passent d’un réducteur à un oxydant : l’espèce organique change de famille	un oxydant (ion permanganate MnO₄⁻, ion dichromate Cr₂O₇²⁻…) ou un réducteur figure parmi les réactifs

Oxydations à connaître. Alcool primaire → aldéhyde → acide carboxylique ; alcool secondaire → cétone. Le sens inverse (cétone → alcool secondaire, par exemple) est une réduction.

L’ordre des questions. ① Un oxydant ou un réducteur réagit-il ? → oxydoréduction. ② Seul un ion H⁺ change de place ? → acide-base. ③ Sinon, je compte les produits et je regarde les liaisons multiples : un seul produit et une liaison multiple disparue → addition ; liaison multiple formée et petite molécule libérée → élimination ; un groupe remplacé par un autre → substitution.

Chaîne ou groupe ? Une réaction modifie la chaîne carbonée si le nombre ou l’enchaînement des atomes de carbone change : on allonge, raccourcit, ramifie ou cyclise la chaîne. La polymérisation est une modification de chaîne : une polyaddition n’élimine aucune molécule, une polycondensation en libère une petite à chaque liaison formée (souvent H₂O). Sinon, seul un groupe caractéristique est modifié.

Exemples

CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–OH + HCl → CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–Cl + H₂O. Deux réactifs, deux produits ; sur le même carbone, le groupe –OH est remplacé par –Cl ; aucune liaison multiple : substitution. Même squelette de 4 C : modification de groupe.

CH₂=CH–CH₂–CH₃ + Br₂ → CH₂Br–CHBr–CH₂–CH₃. Un seul produit, la liaison C=C du but-1-ène devient simple : addition.

(CH₃)₃C–OH → CH₂=C(CH₃)–CH₃ + H₂O (milieu acide, chauffage). Le 2-méthylpropan-2-ol perd –OH et un H portés par deux carbones voisins ; une liaison C=C se forme et de l’eau est libérée : élimination. Un seul alcène est possible ici, car les trois carbones voisins sont équivalents ; si le carbone qui porte –OH a des voisins différents porteurs d’atomes H, l’élimination peut donner plusieurs alcènes isomères.

CH₃–CH₂–CH₂–OH → CH₃–CH₂–COOH sous l’action des ions permanganate en milieu acide. L’alcool primaire devient un acide carboxylique, en réagissant avec un oxydant : oxydoréduction (oxydation de l’alcool).

CH₃–CH₂–COOH + HO⁻ → CH₃–CH₂–COO⁻ + H₂O. Seul un ion H⁺ passe de l’acide propanoïque à l’ion hydroxyde ; la chaîne de 3 C n’est pas touchée : acide-base.

Réflexe — j’écris côte à côte réactif organique et produit organique, je cherche ce qui a changé (atome remplacé, liaison multiple apparue ou disparue, H⁺ échangé, famille modifiée par un oxydant), puis je compte les carbones pour dire si la chaîne est modifiée.

Attention — « deux réactifs » ne suffit pas à dire « substitution » : avec les ions hydroxyde, un halogénoalcane peut subir une substitution (il se forme un alcool) ou une élimination (il se forme un alcène). C’est l’apparition d’une liaison double qui tranche. Et une réaction acide-base ne change pas la famille : l’ion propanoate reste la forme basique de l’acide propanoïque.

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Mécanismes : sites donneur et accepteur, flèches courbes

Rappel. Acte élémentaire, mécanisme réactionnel, intermédiaire réactionnel, catalyseur et formalisme de la flèche courbe : Cinétique chimique (partie 6). Électronégativité et liaisons polarisées : De la structure à la polarité d’une entité.

Ce qu’il faut savoir

Liaison polarisée. Dans une liaison A–B où B est plus électronégatif que A, le doublet est attiré vers B : B porte une charge partielle δ−, A une charge partielle δ+. Électronégativités (échelle de Pauling) : χ(H) = 2,20 ; χ(C) = 2,55 ; χ(N) = 3,04 ; χ(O) = 3,44 ; χ(Cl) = 3,16 ; χ(Br) = 2,96.

site donneur de doublet (riche en électrons)	atome qui porte un doublet non liant (O, N, ion halogénure), surtout s’il est chargé négativement (HO⁻) ; doublet d’une liaison double C=C
site accepteur de doublet (pauvre en électrons)	atome chargé positivement (H⁺, carbocation C⁺) ; atome δ+ : carbone lié à un halogène ou à un oxygène, hydrogène lié à O ou à un halogène

Tracer les flèches courbes d’un acte élémentaire.

Je polarise les liaisons et je repère charges et doublets non liants.
La flèche part d’un doublet du site donneur (doublet non liant, ou doublet d’une liaison) et pointe vers le site accepteur : une nouvelle liaison se forme.
Si l’atome accepteur dépassait alors son octet (son duet pour H), une de ses liaisons se rompt : une seconde flèche part du doublet de cette liaison et pointe vers l’atome le plus électronégatif, qui garde le doublet.
Je vérifie que la charge totale est la même avant et après l’acte.

Exemples

Une substitution en un seul acte

χ(Br) > χ(C) : le carbone lié au brome est δ+, c’est le site accepteur ; l’oxygène de HO⁻, chargé négativement et porteur de doublets non liants, est le site donneur. Flèche 1 : d’un doublet non liant de O vers C. Le carbone aurait cinq liaisons : flèche 2, du doublet de la liaison C–Br vers Br, qui part en ion bromure. Charge : −1 avant, −1 après.

Une addition en deux actes

Acte 1 : la liaison C=C, riche en électrons, est le site donneur ; l’atome H de H–Cl, δ+ car χ(Cl) > χ(H), est le site accepteur. H ne peut porter qu’un doublet : la liaison H–Cl se rompt vers Cl. Acte 2 : CH₃–CH⁺–CH₂–CH₃ + Cl⁻ → CH₃–CHCl–CH₂–CH₃ ; la flèche part d’un doublet non liant de Cl⁻ (site donneur) vers le carbone chargé positivement (site accepteur). Le carbocation et l’ion chlorure, formés à l’acte 1 et consommés à l’acte 2, sont des intermédiaires ; l’équation globale est CH₃–CH=CH–CH₃ + HCl → CH₃–CHCl–CH₂–CH₃, une addition.

Une élimination en un seul acte

L’ion hydroxyde capte un atome H porté par le carbone voisin de celui qui porte le brome : flèche 1 vers ce H ; flèche 2, du doublet de la liaison C–H vers la liaison C–C, qui devient double ; flèche 3, du doublet de la liaison C–Br vers Br. Ici, l’ion hydroxyde agit comme une base : il arrache un ion H⁺.

Réflexe — avant de tracer, j’écris δ+ et δ− sur chaque liaison polarisée ; chaque flèche va du riche (doublet, charge −, δ−, liaison double) vers le pauvre (charge +, δ+) ; je compte ensuite les liaisons de l’atome accepteur pour savoir s’il faut une seconde flèche.

Attention — une flèche courbe part toujours d’un doublet, jamais d’un atome ni d’une charge « + » : on ne trace pas de flèche « de H⁺ vers la liaison C=C », c’est l’inverse. Et un intermédiaire est formé puis consommé, alors qu’un catalyseur est consommé puis régénéré : l’ion chlorure de l’addition n’est pas un catalyseur.

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Optimiser la vitesse de formation d’un produit

Rappel. Facteurs cinétiques, catalyse et interprétation par les chocs : Cinétique chimique ; montage de chauffage à reflux et étapes d’un protocole : Synthèse organique : protocole et rendement.

Ce qu’il faut savoir

Beaucoup de transformations organiques sont lentes. Dans un protocole, on reconnaît les opérations qui accélèrent la formation du produit :

Levier	Dans le protocole
élever la température	chauffage à reflux : le mélange bout, sa température est la plus haute possible, et le réfrigérant renvoie les vapeurs condensées dans le ballon, sans perte de matière
augmenter les concentrations	réactifs purs ou peu de solvant : diluer ralentit
ajouter un catalyseur	ions H⁺ (quelques gouttes d’acide sulfurique), enzyme, métal finement divisé ; il est régénéré et ne figure pas dans l’équation
favoriser le contact	agitation, solide finement divisé, solvant qui dissout tous les réactifs

Ce qui n’accélère pas. La pierre ponce régularise l’ébullition ; le réfrigérant évite les pertes ; le bain d’eau glacée final fait cristalliser ou ralentit la transformation. Ces opérations ont un autre rôle.

Vitesse et état final. Accélérer fait atteindre plus vite l’état final ; ni le catalyseur ni, pour une estérification, la température ne changent cet état final.

Étudier l’influence d’un paramètre. On réalise plusieurs expériences qui ne diffèrent que par un seul paramètre (température, catalyseur, quantités) et l’on mesure le rendement à différentes dates.

Exemples

Lire un protocole. « Dans un ballon, introduire 0,20 mol d’acide propanoïque, 0,20 mol de 2-méthylpropan-1-ol, 1 mL d’acide sulfurique concentré et quelques grains de pierre ponce ; adapter un réfrigérant à boules et chauffer à reflux pendant 1 h, sous agitation. » On obtient le propanoate de 2-méthylpropyle CH₃–CH₂–COO–CH₂–CH(CH₃)–CH₃.

Accélèrent la formation de l’ester : le chauffage (température), l’acide sulfurique (catalyseur), l’agitation, l’absence de solvant (concentrations élevées). Le réfrigérant évite la perte des réactifs volatils ; la pierre ponce régularise l’ébullition : ni l’un ni l’autre n’accélère.

Comparer des expériences (données simulées pour une estérification, mélange équimolaire pour ① et ②) :

① et ② ne diffèrent que par le catalyseur : ① atteint son palier en moins de 2 h, ② n’en est qu’à environ 22 % au bout de 6 h. Le palier de ① est 67 % : le catalyseur accélère, il ne relève pas ce palier. La courbe ③ est étudiée dans la partie suivante.

Réflexe — pour chaque opération d’un protocole, je me demande : agit-elle sur la température, sur les concentrations, sur la présence d’un catalyseur ou sur le contact entre réactifs ? Si non, elle n’optimise pas la vitesse.

Attention — le réfrigérant du montage à reflux ne refroidit pas le mélange réactionnel : il condense les vapeurs, ce qui permet de chauffer longtemps sans perte. Et accélérer une transformation ne veut pas dire augmenter son rendement final.

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Optimiser le rendement d’une transformation non totale

Rappel. Rendement η = n_obtenue ÷ n_max, n_max étant calculé avec le réactif limitant : Synthèse organique : protocole et rendement. Quotient de réaction Q_r, constante d’équilibre K et sens d’évolution : Évolution spontanée : quotient de réaction et constante d’équilibre.

Ce qu’il faut savoir

Une transformation non totale. L’estérification et l’hydrolyse d’un ester sont inverses l’une de l’autre :

acide carboxylique + alcool ⇄ ester + eau

L’état final est un état d’équilibre, où Q_r = K. Toutes les espèces étant dans la même phase liquide, le volume se simplifie :

Q_{r} = \frac{n (ester) \times n (eau)}{n (acide) \times n (alcool)}

Pour un acide carboxylique et un alcool primaire, K est de l’ordre de 4 : un mélange équimolaire conduit à un rendement d’environ 67 % (x_f = 2 ÷ 3 de x_max).

Deux leviers pour augmenter le rendement. Ils rendent Q_r < K : le système évolue alors dans le sens direct, il se forme davantage d’ester.

Introduire un réactif en excès : le dénominateur de Q_r augmente. On choisit le réactif le moins cher ou le plus facile à éliminer ensuite.
Éliminer un produit au fur et à mesure : distiller l’espèce la plus volatile (souvent l’ester), piéger l’eau dans un appareil de Dean-Stark (l’eau, entraînée par les vapeurs d’un solvant comme le cyclohexane, se condense et tombe au fond d’un tube gradué au lieu de revenir dans le ballon), laisser partir un gaz ou un précipité.

Ce qui ne change pas le rendement final : le catalyseur ; la température quand K en dépend peu, comme pour l’estérification. Les pertes pendant l’isolement et la purification, elles, le diminuent.

Exemples

Un réactif en excès. Acide éthanoïque + butan-1-ol ⇄ éthanoate de butyle + eau, K = 4,0. Avec 1,0 mol d’acide et 1,0 mol d’alcool : $\frac{x^{2}}{(1 - x)^{2}} = 4$ , donc $\frac{x}{1 - x} = 2$ et x_f = 2 ÷ 3 ≈ 0,67 mol : η ≈ 67 %.

Avec 1,0 mol d’acide et 3,0 mol d’alcool (l’acide est limitant, x_max = 1,0 mol) : $\frac{x^{2}}{(1 - x) (3 - x)} = 4$ , soit $3 x^{2} - 16 x + 12 = 0$ . Δ = 256 − 144 = 112 ; la seule racine inférieure à x_max est $x = \frac{16 - \sqrt{112}}{6}$ ≈ 0,90 mol : η ≈ 90 %, c’est le palier de la courbe ③ de la partie précédente.

Retirer un produit. À l’équilibre, Q_r = K. Si un Dean-Stark retire une partie de l’eau, n(eau) diminue, donc Q_r devient plus petit que K : l’estérification reprend dans le sens direct. En retirant l’eau en continu, on rend la transformation presque totale.

Réflexe — pour justifier un rendement amélioré, j’écris Q_r, je dis quel terme l’opération augmente ou diminue, je conclus « Q_r < K, évolution dans le sens direct ».

Attention — l’excès d’un réactif ne s’utilise pas pour calculer n_max : c’est le réactif limitant qui le fixe. Et avec 3 fois plus d’alcool, le rendement ne triple pas : il passe de 67 % à 90 % environ.

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Synthèse en plusieurs étapes : séquence, sélectivité, protection

Ce qu’il faut savoir

Élaborer une séquence réactionnelle à partir d’une banque de réactions :

comparer la molécule de départ et la molécule cible : la chaîne carbonée change-t-elle ? quels groupes caractéristiques changent, lesquels doivent rester intacts ?
choisir dans la banque une réaction pour chaque changement et les ranger dans un ordre où chaque produit peut servir de réactif à l’étape suivante ;
nommer la catégorie de chaque étape.

Rendement global. Chaque étape ne transforme que ce que la précédente a fourni : pour des étapes successives,

η_{global} = η_{1} \times η_{2} \times η_{3} \times \dots

Le rendement global est plus petit que le plus petit des rendements : on cherche la voie la plus courte.

Sélectivité et protection. Un réactif est chimiosélectif s’il ne transforme qu’un seul des groupes caractéristiques présents. Si aucun réactif de la banque ne l’est, on protège le groupe à préserver :

protection : une réaction qui ne touche que ce groupe le transforme en un groupe inerte dans l’étape suivante ;
transformation voulue sur l’autre groupe ;
déprotection : une réaction régénère le groupe de départ.

Un bon groupe protecteur s’installe sélectivement, résiste aux conditions de l’étape suivante et s’enlève facilement sans abîmer le reste de la molécule. La protection coûte deux étapes : elle abaisse le rendement global et ajoute réactifs et déchets.

Exemples

Une séquence en deux étapes. On veut la butanone CH₃–CO–CH₂–CH₃ à partir du but-1-ène CH₂=CH–CH₂–CH₃. Banque : (R1) en milieu acide, l’eau s’additionne sur une liaison C=C, l’atome H se fixant sur le carbone qui porte le plus d’atomes H ; (R2) les ions dichromate en milieu acide oxydent un alcool secondaire en cétone.

Même squelette de 4 C : seul le groupe change. (R1) donne le butan-2-ol CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₃ : addition ; (R2) donne la butanone : oxydoréduction. L’ordre est imposé : il faut l’alcool avant de l’oxyder.

Une protection. On veut l’acide 4-aminobenzoïque H₂N–C₆H₄–COOH à partir de la 4-méthylaniline H₂N–C₆H₄–CH₃ (–C₆H₄– : cycle benzénique). Les ions permanganate oxydent le groupe –CH₃ en –COOH, mais ils oxydent aussi le groupe –NH₂ : ils ne sont pas chimiosélectifs.

① Protection : l’anhydride éthanoïque transforme –NH₂ en groupe amide –NH–CO–CH₃, que les ions permanganate n’oxydent pas. ② Transformation : oxydation de –CH₃ en –COOH (oxydoréduction). ③ Déprotection : l’hydrolyse de l’amide régénère –NH₂. Si les rendements sont 90 %, 70 % et 85 % : η = 0,90 × 0,70 × 0,85 ≈ 0,54, soit 54 %.

Réflexe — je liste les groupes de la molécule de départ, je souligne celui qui doit changer et j’entoure ceux qui doivent rester ; si le réactif de la banque touche un groupe entouré, j’insère protection avant et déprotection après.

Attention — le rendement global est un produit : ni une somme, ni une moyenne des rendements. Et la déprotection doit régénérer exactement le groupe de départ : une étape qui le transforme en un autre groupe n’est pas une déprotection.

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Synthèse écoresponsable : économie d’atomes et choix des conditions

Rappel. Les principes de la chimie verte, l’économie d’atomes exprimée en masses et la différence entre biosourcé et biodégradable ont été vus en troisième : Chimie et environnement : pollution, effet de serre, chimie verte.

Ce qu’il faut savoir

Discuter l’impact environnemental d’une synthèse à partir de données fournies, c’est comparer :

le nombre d’étapes et le rendement global ;
l’économie d’atomes et les sous-produits : quantité, danger, possibilité de les valoriser ;
les réactifs et solvants : danger, quantité, solvant évitable (eau, éthanol ou aucun solvant plutôt qu’un solvant toxique) ; un catalyseur, utilisé en petite quantité et régénéré, plutôt qu’un réactif consommé en grande quantité ;
l’énergie : température, pression, durée de chauffage ;
l’origine des matières premières : renouvelables (biomasse) ou fossiles.

Économie d’atomes d’une réaction, avec les nombres stœchiométriques de l’équation (catalyseur non compté) :

E A = \frac{nombre stœchiométrique \times M (produit visé)}{\sum nombre stœchiométrique \times M (réactif)}

Une addition, où tous les atomes des réactifs finissent dans l’unique produit, a une économie d’atomes de 100 % ; une substitution ou une élimination, qui forment un sous-produit, ont une économie d’atomes plus faible.

Économie d’atomes ≠ rendement. L’économie d’atomes se lit sur l’équation : c’est la part de la masse des réactifs qui finirait dans le produit visé si la réaction était totale et sans réaction parasite. Le rendement se mesure : c’est ce que l’on obtient vraiment.

Exemples

L’oxyde d’éthylène C₂H₄O, matière première de l’industrie chimique. Données en g·mol⁻¹ : C₂H₄ 28,0 ; Cl₂ 71,0 ; Ca(OH)₂ 74,1 ; O₂ 32,0 ; C₂H₄O 44,0.

Ancien procédé, dit « à la chlorhydrine », dont le bilan est C₂H₄ + Cl₂ + Ca(OH)₂ → C₂H₄O + CaCl₂ + H₂O : $E A = \frac{44, 0}{28, 0 + 71, 0 + 74, 1} = \frac{44, 0}{173, 1}$ ≈ 25 %. Les trois quarts de la masse des réactifs finissent en chlorure de calcium et en eau, et le dichlore est perdu.

Procédé actuel : oxydation directe par le dioxygène sur un catalyseur à l’argent, 2 C₂H₄ + O₂ → 2 C₂H₄O : $E A = \frac{2 \times 44, 0}{2 \times 28, 0 + 32, 0}$ = 100 %. Le rendement reste pourtant inférieur à 100 % : une partie de l’éthène brûle en dioxyde de carbone et en eau.

Réflexe — je calcule l’économie d’atomes avec les nombres stœchiométriques, puis je passe en revue étapes, sous-produits, solvants, énergie et matières premières, en m’appuyant sur une donnée chiffrée pour chaque argument.

Attention — une économie d’atomes de 100 % ne garantit pas une synthèse propre : solvant, énergie et réactions parasites comptent aussi. Et le catalyseur n’entre pas dans le calcul de l’économie d’atomes, puisqu’il est régénéré.

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Pour aller plus loin

Dans les chapitres voisins. Motif, monomère et degré de polymérisation des polymères obtenus par polyaddition ou polycondensation : Structure : formules topologiques, isomérie et polymères. Contrôler l’identité d’un produit ou suivre une transformation par spectroscopie infrarouge : Analyse physique : spectroscopies UV-visible et infrarouge. Vitesses volumiques, temps de demi-réaction et lois de vitesse : Cinétique chimique.

Rappel de première. Isoler, purifier et analyser le produit d’une synthèse (filtration, extraction, recristallisation, distillation, température de fusion, CCM) : Synthèse organique : protocole et rendement.

À retenir

Substitution : un groupe en remplace un autre ; addition : un seul produit, une liaison multiple disparaît ; élimination : une liaison multiple se forme et une petite molécule part ; acide-base : transfert d’un ion H⁺ ; oxydoréduction : la famille change sous l’action d’un oxydant ou d’un réducteur.
Une flèche courbe va d’un doublet du site donneur (doublet non liant, liaison double, charge −) vers le site accepteur (charge +, δ+) ; une seconde flèche rompt une liaison si l’accepteur dépasse son octet ou son duet.
Vitesse : température (reflux sans perte), concentrations, catalyseur, agitation ; aucun de ces leviers ne change l’état final.
Rendement d’une transformation non totale : un réactif en excès ou l’élimination d’un produit rendent Q_r < K, le système évolue dans le sens direct.
Synthèse multi-étapes : η_global = η₁ × η₂ × … ; si aucun réactif n’est chimiosélectif, protection, transformation, déprotection.
Synthèse écoresponsable : peu d’étapes, économie d’atomes élevée (100 % pour une addition), sous-produits peu dangereux, catalyseur, solvant sûr, peu d’énergie, matières renouvelables.

Questions fréquentes

Comment reconnaître une substitution, une addition ou une élimination ?

On compare le réactif organique et le produit. Substitution : un atome ou un groupe est remplacé par un autre sur le même carbone, sans liaison multiple créée ni rompue. Addition : un seul produit, une liaison multiple devient simple. Élimination : une liaison multiple se forme et une petite molécule (H₂O, HBr) est libérée. Si un oxydant ou un réducteur réagit, c’est une oxydoréduction ; si seul un ion H⁺ change de place, une réaction acide-base.

Comment tracer une flèche courbe ?

On polarise d’abord les liaisons avec les électronégativités. La flèche part d’un doublet du site donneur (doublet non liant, liaison double, atome chargé négativement) et pointe vers le site accepteur (atome chargé positivement ou δ+). Si l’atome accepteur dépasse alors son octet, ou son duet pour H, une seconde flèche rompt l’une de ses liaisons vers l’atome le plus électronégatif. La charge totale est conservée.

Comment accélérer une synthèse organique ?

On élève la température (chauffage à reflux, sans perte de matière grâce au réfrigérant), on garde des concentrations élevées (peu ou pas de solvant), on ajoute un catalyseur (ions H⁺, enzyme, métal) et on agite. Ces opérations font atteindre plus vite l’état final, sans le changer.

Comment augmenter le rendement d’une estérification ?

L’estérification n’est pas totale : à l’équilibre, Qr = K, environ 4 pour un alcool primaire, soit 67 % de rendement pour un mélange équimolaire. On met un réactif en excès ou on élimine un produit (eau piégée par un Dean-Stark, ester distillé) : Qr devient inférieur à K et le système évolue dans le sens direct. Le catalyseur ne change pas le rendement.

À quoi sert une protection en synthèse organique ?

Quand aucun réactif de la banque n’est chimiosélectif, on rend inerte le groupe à préserver (protection), on réalise la transformation voulue, puis on régénère ce groupe (déprotection). Ces deux étapes de plus abaissent le rendement global, égal au produit des rendements des étapes.

Comment calculer l’économie d’atomes d’une réaction ?

On divise la masse molaire du produit visé, multipliée par son nombre stœchiométrique, par la somme des masses molaires des réactifs multipliées par leurs nombres stœchiométriques ; le catalyseur ne compte pas. Une addition a une économie d’atomes de 100 %. Ce n’est pas le rendement, qui se mesure.

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