PCSI Lycée Brizeux Quimper DM Pour le novembre

Tristan Ribeyre

Description

Niveau: Supérieur
PCSI - Lycée Brizeux - Quimper DM 02 - Pour le 03 novembre 2010 Devoir à la maison de chimie n˚ 2 - Correction Identification d'un composé organique 1. (a) L'analyse élémentaire est une technique basée sur la mesure de la quantité (masse) de produits issus de la combustion du composé étudié. On effectue la combustion en présence d'un excès de dioxygène, et on mesure la masse de dioxyde de carbone et la masse d'eau formée. De ces mesures on peut déduire la composition du composé de départ. (b) Le pourcentage massique de carbone est par définition la masse de carbone sur la masse totale de la molécule. Ce raisonnement sur une molécule peut facilement se transposer à une mole de molécule. Le pourcentage massique est alors égal à la masse molaire du carbone au sein du composé divisé par la masse molaire du composé. Si le composé étudié comporte x atomes de carbone, le pourcentage massique de carbone sera donc égal à : xMC MCxHyOz Le même raisonnement s'applique à l'hydrogène et à l'oxygène. On en déduit les égalités suivantes : xMC MCxHyOz = 0, 649 ; yMH MCxHyOz = 0, 135 ; zMO MCxHyOz = 0, 216 Soit : 12, 0x 74, 0 = 0, 649 ; 1, 0y 74, 0 = 0, 135 ; 16, 0z 74, 0 = 0, 216 L'application numérique donne x = 4, y = 10 et z = 1.

• atome de carbone


• double liaison


• isomères


• carbone-oxygène


• masse molaire


• pcsi - lycée brizeux - quimper


• hbr hh3c


• formules topologiques

Sujets

• Ribeyre (Truyère)
• Isomérie
• Masse molaire

Informations

• Publié par: profil-nechor-2012
• Publié le: 01 novembre 2010
• Nombre de lectures: 95
• Langue: Français

Extrait

PCSI - LycÉe Brizeux - Quimper

DM 02 - Pour le 03 novembre 2010

Devoir À la maison de chimie n˚2 - Correction

Identification d’un composÉ organique 1. (a) L’analyse ÉlÉmentaire est une technique basÉe sur la mesure de la quantitÉ (masse) de produits issus de la combustion du composÉ ÉtudiÉ. On effectue la combustion en prÉsence d’un excÈs de dioxygÈne, et on mesure la masse de dioxyde de carbone et la masse d’eau formÉe. De ces mesures on peut dÉduire la composition du composÉ de dÉpart. (b) Le pourcentage massique de carbone est par dÉfinition la masse de carbone sur la masse totale de la molÉcule. Ce raisonnement sur une molÉcule peut facilement se transposer À une mole de molÉcule. Le pourcentage massique est alors Égal À la masse molaire du carbone au sein du composÉ divisÉ par la masse molaire du composÉ. Si le composÉ ÉtudiÉ comportexatomes de carbone, le pourcentage massique de carbone sera donc Égal À : xM C M C x H y O z Le mme raisonnement s’applique À l’hydrogÈne et À l’oxygÈne. On en dÉduit les ÉgalitÉs suivantes :

2.

3.

xM C yM H zM O = 0,649 ; = 0,135 ; = 0,216 M C x H y O z M C x H y O z M C x H y O z

Soit : 12,0x1,0y16,0z = 0,649 ; = 0,= 0135 ; ,216 74,0 74,0 74,0 L’application numÉrique donnex= 4,y= 10etz= 1. La formule brute du composÉ est donc C 4 H 10 O. Ce rÉsultat peut tre retrouvÉ À l’aide de l’indice donnÉ dans l’ÉnoncÉ, en utilisant un tableau d’avancement, comme effectuÉ dans le cours. (c) La masse molaire peut tre obtenue À l’aide de la spectromÉtrie de masse. (a) Le nombre d’insaturationsn.i.d’un composÉ de formule brute C x H y O z est donnÉ par la formule : 2x+ 2−y n.i.= 2 (b) Ici, on ax= 4ety= 10, donc :

2∗4 + 2−10 n.i.= = 0 2 Le composÉ ÉtudiÉ ne prÉsente ni liaison multiple, ni cycle. (c) Les fonctions chimiques oxygÉnÉes compatibles avec ce nombre d’insaturations sont la fonction alcool et la fonction Étheroxyde (un aldÉhyde ou une cÉtone par exemple nÉcessiteraient une insaturation). (a) Les formules topologiques des 8 isomÈres sont indiquÉes figure 1.

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Figure1 – Formules topologiques des isomÈres de formule brute C 4 H 10 O

(b) Les composÉs de la premiÈre ligne et de la troisiÈme ligne sont des alcools, ceux de la deuxiÈme sont des Étheroxydes. (c) i. Les deux isomÈres de configuration sont ceux de la troisiÈme ligne (mme en- chaïnement des atomes, mais disposition dans l’espace diffÉrente). ii. Les composÉs sont images l’un de l’autre par un miroir plan, ils forment donc un couple d’ÉnantiomÈres. iii. Un mÉlange Équimolaire de deux ÉnantiomÈres est appelÉ mÉlange racÉmique. Comme deux ÉnantiomÈres ont des pouvoirs rotatoires spÉcifiques opposÉs, et qu’ils sont prÉsents en mme quantitÉ, le mÉlange racÉmique ne prÉsente pas d’activitÉ optique. n iv. Un composÉ prÉsentantncentres stÉrÉogÈnes peut comporter au maximum2 stÉrÉoisomÈres. Lorsque deux atomes de carbone asymÉtriques possÈdent les mmes substituants, des composÉs en apparence diffÉrents (de configuration (R,S) et (S,R) par exemple) sont en fait identiques. Le composÉ est alors appelÉ mÉso. (d) De gauche À droite et de bas en haut, les composÉs sont : – le butan-1-ol – le 2-mÉthylpropan-1-ol – le 2-mÉthylpropan-2-ol – l’ÉthoxyÉthane – le 1-mÉthoxypropane – le 2-mÉthoxypropane J’ai oubliÉ de demander le nom des deux stÉrÉoisomÈres, il s’agit de gauche À droite du (R)-butan-2-ol et du (S)-butan-2-ol.

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Conformations d’alcanes et de cycloalcanes 1. (a) Voir l’annexe (b) Note : Compte-tenu de l’hypothÈse effectuÉe, le diagramme d’Énergie potentielle est le mme pour les trois stÉrÉoisomÈres reprÉsentÉs prÉcÉdemment. Le seul changement est le choix de la valeur de l’angeθ= 0˚. J’ai arbitrairement choisi l’isomÈre (R,S). Si ce paragraphe n’est pas clair, n’hÉsitez pas À poser une question sur le forum ou À venir me rencontrer au lycÉe. Quand il y a plus d’un substituant, pour la nomenclature des conformations, on utilise les rÈgles CIP : la positon dÉcalÉe gauche par exemple est quand les deux π substituants prioritaires sur chaque atome de carbone sont dÉcalÉs d’un angle de . 3 Le diagramme est reprÉsentÉ figure 2.

Figure2 – Diagramme d’Énergie potentielle simplifiÉ associÉ au dibromobutane

(c) Le composÉ (1) est le (R,R)-2,3-dibromobutane. Le composÉ (2) est le (S,S)-2,3- dibromobutane. Le composÉ (3) est le (2R,3S)-2,3-dibromobutane. (d) Les composÉs (2R,3S) et (2S,3R) sont identiques, il s’agit du composÉ mÉso. (e) Les stÉrÉoisomÈres (R,R) et (S,S) forment un couple d’ÉnantiomÈres. Les isomÈres (R,R) et (R,S) forment un couple de diastÉrÉoisomÈres, ainsi que les isomÈres (S,S) et (R,S)

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(a) Le composÉ reprÉsentÉ en annexe est le 4-mÉthylcyclohexanol(J’avais oubliÉ d’en- lever le nom de la lÉgende ...). (b) Conformations du 4-mÉthylcyclohexanol

(a)

(b)

(c)

ReprÉsentation en perspective

Projection de Newman

Table1 – Conformations du 4-mÉthylcyclohexanol

(c) La conformation la plus stable est celle pour laquelle les deux substituants sont en position Équatoriale, il s’agit donc de la (b).

RÉactivitÉ de la double liaison carbone-oxygÈne 1. Les deux formes mÉsomÈres du mÉthanal sont repreprÉsentÉes figure 3.

Figure3 – Formes mÉsomÈres du mÉthanal

2. L’atome Électrophile au sein de la double liaison carbone-oxygÈne est donc l’atome de carbone, puisque c’est lui qui porte une lacune et une charge formelle positive dans la forme mÉsomÈre de droite (qui a un poids non nÉgligeable). 3. (a) Les composÉs prÉsentÉs figure 2 de l’ÉnoncÉ sont de gauche À droite : un aldÉhyde, une cÉtone, un ester et un amide.

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Figure4 – ComposÉs prÉsentant une double liaison carbone-oxygÈne

(b) Les effets Électroniques sont indiquÉs sur la figure 4. (c) De maniÈre gÉnÉrale, les effets mÉsomÈres sont plus intenses que les effets inductifs. Quand les deux effets sont opposÉs, le bilan global est celui indiquÉ par l’effet mÉ- somÈre. L’atome de carbone de la double liaison carbone-oxygÈne est donc enrichi en Électrons pour la cÉtone, l’ester et l’amide. Les effets inductifs Étant plus faibles, l’enrichissement est plus faible pour la cÉtone. Concernant l’ester et l’amide, du fait de la diffÉrence d’ÉlectronÉgativitÉ, l’enrichissement est plus important pour l’amide. (d) L’atome de carbone est Électrophile, c’est-À-dire qu’il est dÉficitaire en Électrons (d’aprÈs les formes mÉsomÈres de la premiÈre question). Ce caractÈre Électrophile est d’autant moins marquÉ que l’enrichissement Électronique est fort. Le composÉ le plus Électrophile est donc l’aldhyde, puis vient la cÉtone, l’ester, et enfin l’amide. 4. Les organomagnÉsiens agissent comme nuclÉophiles. Ils rÉagissent donc sur le site Élec- trophile des dÉrivÉs prÉsentant une double liaison carbone-oxygÈne, À savoir l’atome de carbone. Cette rÉaction sera d’autant plus favorisÉe que l’atome de carbone sera Électro- phile. D’aprÈs la question prÉcÉdente, un ester est moins Électrophile qu’une cÉtone. AprÈs qu’une molÉcule d’organomagnÉsien ait rÉagi avec l’ester, les autres molÉcules d’organo- magnÉsien ont donc le choix entre la rÉaction avec l’ester de dÉpart et la rÉaction avec la

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cÉtone formÉe. Comme les cÉtones sont plus Électrophiles, la rÉaction privilÉgiÉe est avec la cÉtone formÉe. Si on place donc initialement autant d’organomagnÉsien que d’ester, on obtient donc aprÈs traitement l’alcool, et non la cÉtone comme on pourrait s’y attendre, et ce en quantitÉ deux fois plus faible. Il reste donc de l’ester. 5. (a) Les deux produits sont ÉnantiomÈres, le mÉlange Équimolaire de deux ÉnantiomÈres est appelÉ mÉlange racÉmique. (b) Les produits sont des stÉrÉoisomÈres de configuration du 2-phÉnylbutan-2-ol. Le com- posÉ reprÉsentÉ À gauche sur la figure 4 de l’ÉnoncÉ est le (R)-2-phÉnylbutan-2-ol, le composÉ reprÉsentÉ À droite est le (S)-2-phÉnylbutan-2-ol. (c) Chacun de ces composÉs n’est pas superposable À son image dans un miroir, les deux composÉs sont donc chiraux. (d) Si la cÉtone de dÉpart avait contenu un atome de carbone asymÉtrique, les deux produits auraient ÉtÉ des diastÉrÉoisomÈres.

AlcÈnes en milieu acide 1. Parmi les deux carbocations de l’exemple de l’ÉnoncÉ, un est primaire, c’est-À-dire que l’atome de carbone portant lacune Électronique et charge n’est reliÉ qu’À un seul autre atome de carbone, et l’autre est secondaire, c’est-À-dire que l’atome de carbone susdit est reliÉ À deux atomes de carbone. Les chaïnes alkyles se comportent comme si elles avaient un effet inductif donneur. Une chaïne alkyle enrichit donc l’atome de carbone en Électrons, alors que cet atome est dÉficitaire en Électrons. Cela contribue donc À le stabiliser. Comme de tels effets sont additifs, l’atome de carbone le plus substituÉ est donc le plus stabilisÉ. Le carbocation le plus stable est donc celui de gauche. 2. Les carbocations obtenus par mise en milieu acide des alcÈnes sont indiquÉs figure 5.

Figure5 – Carbocations obtenus par mise en milieu acide d’alcÈnes

3. Les carbocations sont-ils des espÈces Électrophiles, qui rÉagissent avec les nuclÉophiles.

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Remarques AprÈs correction de vos copies, voici quelques remarques : – Pensez À justifier, mme briÈvement vos rÉponses. – Pour gagner du temps, certains d’entre vous ne rÉdigent pas les rÉponses, mais indiquent seulement les rÉsultats. Cette dÉmarche est À proscrire, car la copie est vite incomprÉhen- sible. Le correcteur ne doit pas devoir regarder l’ÉnoncÉ À chaque question. – Pour les formules topologiques des isomÈres, vous Écrivez rÉguliÈrement deux fois la mme formule, mais orientÉe diffÉremment : ce n’est pas pour cela qu’il s’agit de deux isomÈres, il s’agit toujours du mme composÉ. – Pour prÉciser À quelles familles chimiques les composÉs appartiennent, il fallait prÉciser lesquels Étaient les alcools, et lesquels Étaient les Étheroxydes. – Lorsque l’ÉnoncÉ indique "parmi ces isomÈres, il y a deux isomÈres de configuration", et que dans les isomÈres que vous avez reprÉsentÉ il n’y en a aucun qui se distingue par sa structure tridimensionnelle, il y a un problÈme. Ce genre d’indice doit vous mettre sur la voie pour trouver les isomÈres manquants. – Il faut bien prÉciser que c’est le mÉlange Équimolaire d’ÉnantiomÈres qui constitue un mÉlange racÉmique. Que penser quand vous Écrivez une rÉponse erronÉe À la question prÉcÉdente mais que celle-ci est juste ? – Pour les conformations du 2,3-dibromobutane, l’ÉnoncÉ vous prÉcisait bien qu’une double ligne horizontale signifiait un changement de molÉcule. Ce qui signifie qu’entre deux doubles lignes les structures reprÉsentÉes appartiennent À la mme molÉcule, donc ont le mme nom. – Pour le diagramme d’Énergie potentielle, si vous ne prÉcisez pas la nature es substituants, comment pouvez-vous dÉterminer les Énergies relatives, puisque ce sont eux, par leur rÉpulsion, qui la conditionne ? – Pour les conformations de cyclohexane substituÉ, choisissez vos axes de projection pour que les substituants soient portÉs par des atomes de carbone le long de l’axe de projection, sinon il est difficile de distinguer positions axiale et Équatoriale. – Pour les formes mÉsomÈres du mÉthanal, n’oubliez pas la lacune Électronique sur l’atome de carbone le cas ÉchÉant. – Les deux derniers exercices Étaient plus difficiles que les premiers, ils sont repris dans le cours de chimie organique dans les chapitres correspondants. – L’atome d’hydrogÈne n’a pas d’effet Électronique notable : ce sont les chaïnes alkyles, avec au moins un atome de carbone, qui se comportent comme si elles avaient un effet +I. – L’ÉnoncÉ de l’exercice sur la double liaison carbone-oxygÈne visait À vous faire remarquer que l’atome Électrophile de cette double liaison Était l’atome de carbone, puis À Étudier l’effet de substituants. Ceux-ci enrichissaient plus ou moins l’atome de carbone en Élec- trons, diminuant plus ou moins son Électrophilie. La rÉaction avec un organomagnÉsien, nuclÉophile, est une application courante de la comparaison de la rÉactivitÉ. – Pour l’exercice sur les alcÈnes, vous avez souvent manquÉ d’observation face À cette rÉ- action que vous ne connaissez pas encore. Regardez bien l’ÉnoncÉ : l’atome d’hydrogÈne mis en valeur est en fait le proton qui a rÉagi, et qui s’est fixÉ sur un des atomes de car- bone qui portait la double liaison, l’autre atome de carbone portant dorÉnavant la lacune Électronique. Il fallait ensuite comparer la stabilisation de cette lacune par le fait que les groupements alkyles se comportent comme si elles avaient un effet inductif donneur.

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(1a)

(1b)

(1c)

(2a)

(2b)

(2c)

(3a)

(3b)

(3c)

ReprÉsentation de Cram

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Projection de Newman

Type de conformation

DÉcalÉe gauche

EclipsÉe

DÉcalÉe anti

DÉcalÉe gauche

EclipsÉe

DÉcalÉe anti

DÉcalÉe gauche

EclipsÉe

DÉcalÉe anti

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