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Spécialité Physique-Chimie Terminale

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Stratégies de synthèse : réactions, optimisation, protection

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
Un devoir surveillé de deux heures, noté sur 20 points avec calculatrice, en cinq exercices de 4 points : quatre réactions à classer, le mécanisme de l’addition de HBr sur le cyclohexène, la synthèse du benzoate de méthyle, la protection d’un alcool primaire et deux voies vers l’acide éthanoïque, avec un corrigé détaillé et son barème.
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Devoir surveillé · ★★ et ★★★ · Durée 120 min · Noté sur 20
120:00
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Devoir surveillé – Stratégies de synthèse : réactions, optimisation, protection

Durée : 120 min – Calculatrice autorisée – Sur 20 points · Spécialité Physique-Chimie Terminale

Nom : Date : Note : / 20

Tous les calculs doivent figurer sur la copie. Les résultats seront donnés sous la forme la plus simple possible.

Exercice 1 – Quatre réactions à classer ★★

(4 pts)

Pour chaque réaction, nommer sa catégorie (substitution, addition, élimination, acide-base, oxydoréduction) en justifiant, puis répondre à la question posée.

  1. a)CH3–CH2–CH2–Br + CH3–O− → CH3–CH2–CH2–O–CH3 + Br−.
  2. b)CH3–CH2–CHO + HCN → CH3–CH2–CH(OH)–CN. Cette réaction modifie-t-elle la chaîne carbonée ? Justifier.
  3. c)(CH3)2CH–NH2 + H3O+ → (CH3)2CH–NH3+ + H2O. Préciser les deux couples acide/base.
  4. d)CH3–CH2–CHO → CH3–CH2–COOH, en présence d’ions permanganate en milieu acide. Préciser les familles du réactif et du produit.

Exercice 2 – Addition de HBr sur le cyclohexène ★★

(4 pts)

Mécanisme : étape 1 : C6H10 + H–Br → C6H11+ + Br− ; étape 2 : C6H11+ + Br− → C6H11Br. Le cyclohexène C6H10 possède une liaison C=C. Données : χ(H) = 2,20 ; χ(Br) = 2,96.

  1. a)Identifier les intermédiaires réactionnels en justifiant.
  2. b)Identifier le site donneur et le site accepteur de l’étape 1.
  3. c)Décrire les deux flèches courbes de l’étape 1 et justifier la seconde.
  4. d)Écrire l’équation globale et nommer la catégorie de la réaction. Un élève affirme que Br− est un catalyseur : expliquer son erreur.

Exercice 3 – Synthèse du benzoate de méthyle ★★

(4 pts)

On chauffe à reflux 6,10 g d’acide benzoïque (M = 122 g·mol−1), 25,0 mL de méthanol (ρ = 0,79 g·mL−1 ; M = 32,0 g·mol−1 ; ébullition à 65 °C) et quelques gouttes d’acide sulfurique. C6H5–COOH + CH3OH ⇄ C6H5–COO–CH3 + H2O. On isole 5,17 g d’ester (M = 136 g·mol−1).

  1. a)Déterminer le réactif limitant.
  2. b)Calculer le rendement de la synthèse.
  3. c)Justifier l’emploi d’un large excès de méthanol.
  4. d)Citer deux opérations du protocole qui accélèrent la formation de l’ester. Un élève propose d’ajouter davantage d’acide sulfurique pour augmenter le rendement : expliquer son erreur.

Exercice 4 – Protéger un alcool primaire ★★★

(4 pts)

On veut transformer le butane-1,3-diol HO–CH2–CH2–CH(OH)–CH3 en 4-hydroxybutan-2-one HO–CH2–CH2–CO–CH3. Banque : (R1) un oxydant X oxyde les alcools primaires en acides carboxyliques et les alcools secondaires en cétones ; (R2) le chlorure de tert-butyldiméthylsilyle transforme sélectivement un alcool primaire en éther silylé, stable vis-à-vis de X ; (R3) les ions fluorure régénèrent l’alcool à partir de l’éther silylé. Rendements : (R2) 92 % ; (R1) 81 % ; (R3) 95 %.

  1. a)Préciser la classe de chacun des deux groupes hydroxyle du réactif.
  2. b)Expliquer pourquoi l’action directe de X ne convient pas et donner la formule du produit qu’elle fournirait.
  3. c)Proposer la séquence de trois étapes en nommant le rôle de chacune.
  4. d)Calculer le rendement global et citer un inconvénient de cette stratégie pour la chimie écoresponsable.

Exercice 5 – Deux voies vers l’acide éthanoïque ★★★

(4 pts)

Voie A : CH3OH + CO → CH3COOH. Voie B : CH3CH2OH + O2 → CH3COOH + H2O. Masses molaires en g·mol−1 : CH3OH 32,0 ; CO 28,0 ; CH3COOH 60,0 ; CH3CH2OH 46,0 ; O2 32,0 ; H2O 18,0.

Voie AVoie B
réactifsméthanol (fabriqué surtout à partir de gaz naturel ou de charbon) et monoxyde de carbone (gaz toxique)éthanol issu de la fermentation de sucres végétaux, dioxygène de l’air
catalyseurcomposé du rhodiumbactéries acétiques
conditions150 à 200 °C, 30 à 60 barvers 30 °C, pression atmosphérique ; l’acide est obtenu en solution aqueuse diluée

  1. a)Calculer l’économie d’atomes de chaque voie.
  2. b)Nommer la catégorie de la réaction de la voie B. Pour chaque voie, dire si la chaîne carbonée est modifiée.
  3. c)Un élève ajoute la masse du catalyseur au rhodium au dénominateur de l’économie d’atomes de la voie A : expliquer son erreur. Calculer la masse d’eau formée par la voie B pour 1,00 kg d’acide éthanoïque.
  4. d)Un élève conclut : « la voie A est meilleure en tout point ». Discuter cette affirmation en s’appuyant sur les données.

Bon courage !

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Corrigé et barème – Stratégies de synthèse : réactions, optimisation, protection

Durée : 120 min – Calculatrice autorisée – Sur 20 points · Spécialité Physique-Chimie Terminale

Exercice 1 – Quatre réactions à classer ★★

(4 pts)
  1. a)Deux réactifs, deux produits ; sur le même carbone, Br est remplacé par –O–CH3 ; le produit n’a pas de liaison C=C : ce n’est pas une élimination (0,5 pt) : substitution (0,5 pt). (1)
  2. b)Un seul produit ; la liaison double C=O du propanal devient simple (0,5 pt) : addition. Le carbone du groupe –CN se lie à la chaîne : on passe de 3 à 4 carbones liés, la chaîne est allongée (0,5 pt). (1)
  3. c)Un ion H+ passe de H3O+ à l’amine, sans autre modification : acide-base (0,5 pt). Couples H3O+/H2O et (CH3)2CH–NH3+/(CH3)2CH–NH2 (0,5 pt). (1)
  4. d)L’aldéhyde (propanal) devient un acide carboxylique (acide propanoïque) (0,5 pt) sous l’action d’un oxydant : oxydoréduction, une oxydation (0,5 pt). (1)

Méthode — Oxydant ou réducteur → oxydoréduction ; seul H+ échangé → acide-base ; sinon on compte les produits et on regarde les liaisons multiples. Puis on compte les carbones pour la chaîne.

Exercice 2 – Addition de HBr sur le cyclohexène ★★

(4 pts)
  1. a)C6H11+ (carbocation) et Br− sont formés à l’étape 1 et consommés à l’étape 2 (0,5 pt) : ce sont les intermédiaires réactionnels (0,5 pt). (1)
  2. b)Donneur : le doublet de la liaison C=C, riche en électrons (0,5 pt). Accepteur : l’atome H de H–Br, δ+ car χ(Br) > χ(H) (0,5 pt). (1)
  3. c)Flèche 1 : du doublet de la liaison C=C vers H (0,5 pt). Flèche 2 : du doublet de la liaison H–Br vers Br, car H ne peut porter qu’un doublet ; Br part en Br− (0,5 pt). (1)
  4. d)C6H10 + HBr → C6H11Br : un seul produit, la liaison C=C disparaît, addition (0,5 pt). Br− n’est pas introduit au départ : formé puis consommé, c’est un intermédiaire ; un catalyseur est consommé puis régénéré (0,5 pt). (1)

Erreur fréquente — Faire partir la flèche de H : elle part toujours du doublet du site donneur, ici la liaison C=C.

Exercice 3 – Synthèse du benzoate de méthyle ★★

(4 pts)
  1. a)n(acide) = 6,10 ÷ 122, soit 5,00 × 10−2 mol ; m(méthanol) = 0,79 × 25,0 = 19,75 g, n ≈ 0,617 mol (0,5 pt). Stœchiométrie 1 : 1 : l’acide benzoïque est limitant (0,5 pt). (1)
  2. b)mmax = 5,00 × 10−2 × 136 = 6,80 g (0,5 pt) ; η = 5,17 ÷ 6,80 ≈ 76,0 % (0,5 pt). (1)
  3. c)L’excès de méthanol augmente le dénominateur de Qr : Qr < K, le système évolue dans le sens direct, le rendement augmente (0,5 pt). Le méthanol est bon marché et volatil, donc facile à éliminer (0,5 pt). (1)
  4. d)Le chauffage à reflux (température élevée) et l’acide sulfurique, un catalyseur, accélèrent la formation de l’ester (0,5 pt). Plus de catalyseur fait atteindre plus vite l’équilibre sans modifier K ni l’état final : le rendement reste le même (0,5 pt). (1)

Le point clé — Pour augmenter le rendement d’une transformation non totale, il faut rendre Qr inférieur à K : excès d’un réactif ou élimination d’un produit. Le catalyseur ne joue que sur la vitesse.

Exercice 4 – Protéger un alcool primaire ★★★

(4 pts)
  1. a)HO–CH2– en bout de chaîne : alcool primaire (carbone lié à un seul carbone) (0,5 pt) ; –CH(OH)– : alcool secondaire (carbone lié à deux carbones) (0,5 pt). (1)
  2. b)X n’est pas chimiosélectif : il oxyderait aussi l’alcool primaire, en acide (0,5 pt). Produit : HOOC–CH2–CO–CH3 (0,5 pt). (1)
  3. c)(R2) : protection de l’alcool primaire (0,5 pt) ; (R1) : oxydation de l’alcool secondaire en cétone, la transformation voulue ; (R3) : déprotection, qui régénère l’alcool primaire (0,5 pt). (1)
  4. d)η = 0,92 × 0,81 × 0,95 ≈ 0,708, soit 70,8 % (0,5 pt). Inconvénient : deux étapes de plus, des réactifs supplémentaires, donc plus de déchets et un rendement plus faible (0,5 pt). (1)

Méthode — Protection, transformation, déprotection : le groupe protégé doit ressortir intact, et chaque étape ajoutée multiplie le rendement global par un nombre inférieur à 1.

Exercice 5 – Deux voies vers l’acide éthanoïque ★★★

(4 pts)
  1. a)A : EA=60,032,0+28,0 = 100 % (0,5 pt). B : EA=60,046,0+32,0 ≈ 76,9 % (0,5 pt). (1)
  2. b)B : l’alcool primaire devient un acide carboxylique sous l’action du dioxygène : oxydoréduction (0,5 pt). A : on passe de 1 à 2 carbones, la chaîne est allongée ; B : 2 carbones avant et après, seul le groupe change (0,5 pt). (1)
  3. c)Le catalyseur est régénéré : il n’est pas consommé et ne compte pas (0,5 pt). Une mole d’eau par mole d’acide : m = 1,00 × 18,0 ÷ 60,0 = 0,300 kg (0,5 pt). (1)
  4. d)Pour A : économie d’atomes de 100 %, aucun sous-produit (0,5 pt). Contre A : 150 à 200 °C sous 30 à 60 bar (énergie), un gaz toxique, des réactifs d’origine fossile ; B part d’une ressource renouvelable, à 30 °C et sous pression atmosphérique, mais donne un acide dilué qu’il faut concentrer : l’affirmation est fausse (0,5 pt). (1)

Le point clé — L’économie d’atomes ne suffit pas à juger une synthèse : énergie, danger des réactifs, origine des matières premières et purification comptent aussi.

Ce document est la propriété intellectuelle de Ben, professeur particulier (benprofparticulier.fr), protégée par le Code de la propriété intellectuelle (art. L. 111-1 et L. 122-4). Il est mis à disposition pour un usage personnel de révision. Toute reproduction, diffusion, mise en ligne ou revente, totale ou partielle, sans autorisation écrite est interdite et constitue une contrefaçon (art. L. 335-2).

Ce contrôle de spécialité physique-chimie Terminale en bref

Un devoir surveillé type contrôle en classe sur « Stratégies de synthèse : réactions, optimisation, protection » : 5 exercices, 120 minutes, noté sur 20. Le sujet et le corrigé sont téléchargeables en PDF, prêts à imprimer, pour travailler comme en classe.

  • Exercice 1 — Quatre réactions à classer ★★/ 4 pts
  • Exercice 2 — Addition de HBr sur le cyclohexène ★★/ 4 pts
  • Exercice 3 — Synthèse du benzoate de méthyle ★★/ 4 pts
  • Exercice 4 — Protéger un alcool primaire ★★★/ 4 pts
  • Exercice 5 — Deux voies vers l’acide éthanoïque ★★★/ 4 pts

Notions évaluées

Substitution, addition, élimination, réaction acide-base, oxydoréduction, oxydation, réduction, modification de chaîne carbonée, modification de groupe caractéristique, polyaddition, polycondensation, électronégativité, liaison polarisée, charge partielle, site donneur, site accepteur, doublet non liant, flèche courbe, acte élémentaire, intermédiaire réactionnel, carbocation, catalyseur, facteur cinétique, chauffage à reflux, réfrigérant, pierre ponce, transformation non totale, estérification, hydrolyse, quotient de réaction, constante d’équilibre, réactif en excès, réactif limitant, appareil de Dean-Stark, rendement, rendement global, banque de réactions, séquence réactionnelle, chimiosélectivité, protection, déprotection, chimie écoresponsable, économie d’atomes, sous-produit, solvant, énergie, matières premières renouvelables.

Pour préparer ce contrôle

  1. Relire le cours et la fiche de révision.
  2. Refaire les exercices corrigés.
  3. Se tester avec le QCM (24 questions).
  4. Faire ce sujet en conditions réelles — 120 min, sans le cours — puis se corriger et noter les points à revoir.

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Questions fréquentes sur ce sujet
Combien de temps dure ce contrôle sur « Stratégies de synthèse : réactions, optimisation, protection » ?
120 minutes pour 5 exercices notés sur 20. Prévois le double si tu enchaînes avec la correction.
Le corrigé est-il fourni ?
Oui : le corrigé complet est fourni en PDF (bouton « Télécharger le corrigé »), avec le barème exercice par exercice.
Ce sujet peut-il servir de DS, de contrôle ou d'interrogation ?
Oui : c'est un devoir surveillé complet de 120 minutes. Pour une interrogation courte, garde un ou deux exercices ; pour un DS ou un contrôle de fin de chapitre, fais le sujet entier en temps limité.
Ce sujet suit-il le programme de spécialité physique-chimie de terminale ?
Oui : il évalue uniquement les notions du chapitre « Stratégies de synthèse : réactions, optimisation, protection » du programme officiel de spécialité physique-chimie en terminale, soit : optimisation de la vitesse de formation d’un produit et du rendement d’une synthèse ; identifier, dans un protocole, les opérations réalisées pour optimiser la vitesse de formation d’un produit ; justifier l’augmentation du rendement d’une synthèse par introduction d’un excès d’un réactif ou par élimination d’un produit du milieu réactionnel ; stratégie de synthèse multi-étapes : modification de groupe caractéristique, modification de chaîne carbonée, polymérisation ; protection / déprotection ; élaborer une séquence réactionnelle de synthèse d’une espèce à partir d’une banque de réactions ; identifier des réactions d’oxydo-réduction, acide-base, de substitution, d’addition, d’élimination ; identifier des étapes de protection / déprotection et justifier leur intérêt ; synthèses écoresponsables : discuter l’impact environnemental d’une synthèse et proposer des améliorations à l’aide de données fournies ; représenter les flèches courbes d’un acte élémentaire, en justifiant leur sens.
Bloqué sur ce chapitre ?

Moi c'est Ben, j'ai créé ce site pour aider le plus d'élèves possible, partout en France. Je peux aussi reprendre avec toi ce qui coince en cours particulier : en visio, ou à domicile si tu es à Marseille.

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