PROF PRIVÉ
Formules topologiques, optimisation, stratégies multi-étapes, synthèses écoresponsables
Formules brutes et semi-développées, squelette carboné
Alcools, aldéhydes, cétones, acides carboxyliques
Lien entre nom IUPAC et formule chimique
Rendement d'une synthèse, étapes d'un protocole
L'indice de saturation (ou degré d'insaturation) permet de dénombrer les doubles liaisons et les cycles présents dans une molécule à partir de sa seule formule brute.
La formule topologique est une représentation simplifiée du squelette carboné. Elle suit des conventions strictes qui permettent de lire rapidement la structure d'une molécule.
En plus des familles vues en première, quatre nouvelles familles sont au programme de terminale.
| Famille | Groupe caractéristique | Suffixe IUPAC | Exemple |
|---|---|---|---|
| Ester | -oate de | Éthanoate de méthyle | |
| Amine | —NH₂ (primaire) | -amine | Éthylamine |
| Amide | -amide | Propanamide | |
| Halogénoalcane | —X (F, Cl, Br, I) | halogéno- | 1-chlorobutane |
Deux molécules sont des isomères de constitution si elles ont la même formule brute mais un enchaînement d'atomes différent.
Même formule brute, squelette carboné différent (linéaire vs ramifié).
Même chaîne, même groupe fonctionnel, mais position différente.
Même formule brute, nature du groupe fonctionnel différente (ex. alcool ↔ éther, aldéhyde ↔ cétone).
Butan-1-ol et butan-2-ol : isomérie de position (OH en C1 vs C2).
Butan-1-ol et 2-méthylpropan-1-ol : isomérie de chaîne (linéaire vs ramifié).
Butan-1-ol et méthoxypropane : isomérie de fonction (alcool vs éther).
La molécule A a pour formule semi-développée : CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₃
1. C₄H₁₀O
2. Alcool. OH sur C2 d'une chaîne de 4C → butan-2-ol.
3. Zigzag 4 carbones, OH en ramification sur le 2ᵉ sommet (vers le haut).
4. Butan-1-ol : même chaîne C4, OH déplacé en C1 → isomérie de position.
Un polymère est une macromolécule constituée par la répétition d'un motif élémentaire, issu de la polymérisation d'un monomère.
| Polymère | Monomère | Type | Utilisation |
|---|---|---|---|
| Polyéthylène (PE) | CH₂=CH₂ | Synthétique | Sacs, bouteilles |
| Polypropylène (PP) | CH₂=CHCH₃ | Synthétique | Emballages, auto |
| PVC | CH₂=CHCl | Synthétique | Tuyaux, câbles |
| Protéines | Acides aminés | Naturel | Structures biologiques |
| Cellulose | Glucose | Naturel | Papier, textile |
La vitesse de formation d'un produit peut être augmentée par plusieurs leviers, sans modifier l'état d'équilibre.
Augmenter T accélère la cinétique (énergie d'activation franchie plus facilement).
Abaisse l'énergie d'activation, accélère sans être consommé.
Augmenter la quantité de réactifs accélère la réaction. Ces leviers n'influencent pas le rendement à l'équilibre.
Pour une réaction équilibrée, le rendement est limité par la constante d'équilibre. On peut le déplacer en intervenant sur les concentrations.
Déplace l'équilibre dans le sens direct (loi de Le Chatelier).
Retirer un produit du milieu (distillation, précipitation) force la réaction à avancer.
CH₃COOH + C₂H₅OH ⇌ CH₃COOC₂H₅ + H₂O
Rendement à l'équilibre ≈ 67 %. Avec excès d'éthanol ou élimination de H₂O par distillation, le rendement dépasse 90 %.
Minimiser les déchets · Solvant aqueux de préférence · Catalyseurs recyclables · Réduire l'énergie · Économie d'atomes EA = M(produit)/ΣM(réactifs) élevée · Valoriser les sous-produits.
On réalise la synthèse de l'éthanoate d'éthyle. On introduit 0,5 mol d'acide éthanoïque (M = 60 g/mol) et 0,5 mol d'éthanol (M = 46 g/mol). Le rendement à l'équilibre est 67 %. M(ester) = 88 g/mol.
1. n(ester) = 0,5 × 0,67 = 0,335 mol → m = 0,335 × 88 = 29,5 g
2. Introduire un excès d'éthanol ou éliminer l'eau formée par distillation.
3. EA = 88/(60+46) = 88/106 ≈ 83 %
4. Partiellement écoresponsable : EA correcte (83 %), sous-produit H₂O non toxique. Mais chauffage (énergie) et catalyseur H₂SO₄ corrosif à gérer.
On part de la molécule cible et on remonte vers les précurseurs disponibles : quelle transformation a produit ce groupe fonctionnel ? Quel était le précurseur de ce précurseur ?
| Type | Transformation | Exemple |
|---|---|---|
| Oxydoréduction | Alcool → aldéhyde → acide | Butan-1-ol → butanal → acide butanoïque |
| Addition | Alcène + H₂O → alcool | But-1-ène → butan-1-ol |
| Élimination | Alcool → alcène + H₂O | Butan-1-ol → but-1-ène |
| Substitution | Remplacement d'un groupe | R–Cl + OH⁻ → R–OH |
| Estérification | Acide + alcool ⇌ ester + H₂O | CH₃COOH + C₂H₅OH → ester |
Quand une molécule possède plusieurs groupes fonctionnels réactifs, on en bloque temporairement un (protection), on fait réagir l'autre sélectivement, puis on retire le groupe protecteur (déprotection).
Pour former une seule liaison peptidique entre deux acides aminés, on protège le NH₂ du premier (GP₁) et le COOH du second (GP₂). La seule réaction possible est entre le COOH libre du premier et le NH₂ libre du second.
Banque : R1 = oxydation ménagée alcool → aldéhyde · R2 = oxydation ménagée aldéhyde → acide · R3 = estérification · R4 = élimination alcool → alcène.
On souhaite synthétiser l'éthanoate de propyle à partir de l'éthanol et du propan-1-ol.
1. Acide éthanoïque (CH₃COOH) + propan-1-ol (C₃H₇OH). L'acide éthanoïque doit être produit depuis l'éthanol.
2. Étape 1 (R1) : éthanol → éthanal. Étape 2 (R2) : éthanal → acide éthanoïque. Étape 3 (R3) : acide éthanoïque + propan-1-ol → éthanoate de propyle + H₂O. Total : 3 étapes.
3. Favorables : solvant aqueux, sous-produit H₂O non toxique. À améliorer : 3 étapes → τ global = τ₁×τ₂×τ₃ (pertes cumulées), énergie consommée à chaque étape.