Élaborer des stratégies en synthèse organique : structure et propriétés

Le BO

Notions et contenus	Capacités exigibles Activités expérimentales support de la formation
Structure et propriétés
Formule topologique. Familles fonctionnelles : esters, amines, amides et halogénoalcanes. Squelettes carbonés insaturés, cycliques. Isomérie de constitution.	Exploiter des règles de nomenclature fournies pour nommer une espèce chimique ou représenter l’entité associée. Représenter des formules topologiques d’isomères de constitution, à partir d’une formule brute ou semi-développée.
Polymères.	Identifier le motif d’un polymère à partir de sa formule. Citer des polymères naturels et synthétiques et des utilisations courantes des polymères.
Optimisation d’une étape de synthèse
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. Mettre en œuvre un protocole de synthèse pour étudier l’influence de la modification des conditions expérimentales sur le rendement ou la vitesse.
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, à partir d’une banque de réactions. Mettre en œuvre un protocole de synthèse conduisant à la modification d’un groupe caractéristique ou d’une chaîne carbonée.
Synthèses écoresponsables.	Discuter l’impact environnemental d’une synthèse et proposer des améliorations à l’aide de données fournies, par exemple en termes d’énergie, de formation et valorisation de sous-produits et de choix des réactifs et solvants.

I- Structures en chimie organique

1. Représentation topologique et squelettes carbonés

La chimie organique étudie les composés dont le squelette est principalement constitué d'atomes de carbone et d'hydrogène. En terminale, pour simplifier l'écriture des molécules organiques parfois complexes, on utilise très fréquemment la formule topologique.

Formule topologique

La formule topologique est une représentation simplifiée d'une molécule organique dans laquelle :

• La chaîne carbonée est représentée par une ligne brisée en zigzag.
• Chaque extrémité de segment et chaque sommet correspond à un atome de carbone.
• Les atomes d'hydrogène liés aux atomes de carbone ne sont pas représentés.
• Les atomes autres que le carbone et l'hydrogène (hétéroatomes comme O, N, Cl, etc.) ainsi que les atomes d'hydrogène qui leur sont directement liés doivent être explicitement écrits.

Formule développée	Formule semi-développée	Formule topologique

Squelettes insaturés et cycliques

• Un squelette carboné insaturé contient au moins une liaison multiple (double ou triple) entre deux atomes de carbone.
• Un squelette carboné cyclique forme une boucle fermée d'atomes de carbone.

Squelette insaturé	Structure cyclique
pent-2-ène	cyclohexane

Passage de la formule semi-développée à topologique

Donner la formule topologique de la molécule de butan-1-ol de formule semi-développée \( CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-OH \).

Corrigé

La chaîne principale comporte 4 atomes de carbone. On trace un zigzag avec 4 sommets/extrémités. Sur le 4ème atome de carbone, on ajoute une liaison vers le groupe \( -OH \).

Identification d'un squelette carboné

Considérons la molécule de cyclohexène. Son squelette est-il saturé ou insaturé ? Linéaire ou cyclique ?

Corrigé

Le suffixe "-ène" indique la présence d'une double liaison \( C=C \), le squelette est donc insaturé. Le préfixe "cyclo-" indique que la chaîne se referme sur elle-même, le squelette est donc cyclique.

2. Nouvelles familles fonctionnelles

En classe de première, les familles des alcools, aldéhydes, cétones et acides carboxyliques ont été étudiées. En terminale, le programme s'enrichit de nouvelles familles fonctionnelles.

Les halogénoalcanes

Un halogénoalcane possède un atome d'halogène (Fluor F, Chlore Cl, Brome Br, Iode I) lié à un atome de carbone.

• Nomenclature : On ajoute le préfixe fluoro-, chloro-, bromo- ou iodo- suivi de sa position sur la chaîne carbonée principale.

2-chloropropane	trichlorométhane	1-bromo-3-chloro-2-fluoropropane

Les esters

Un ester est caractérisé par le groupe caractéristique ester \( -COO- \) placé entre deux chaînes carbonées.

• Nomenclature : Le nom comporte deux parties. La première (liée au \( C=O \)) se termine par le suffixe -oate, la seconde (liée à l'oxygène simple) se termine par -yle.

éthanoate de méthyle	méthanoate d'éthyle

Les amines

Une amine possède un atome d'azote lié à un, deux ou trois atomes de carbone (sans double liaison avec un oxygène voisin). Le groupe caractéristique est le groupe amino.

• Nomenclature : Le suffixe est -amine. Si l'azote est lié à d'autres chaînes carbonées, on les indique par le préfixe N-alkyl.

notation générique	méthanamine	N-methylmethanamine	N,N-dimethylmethanamine

Les amides

Un amide possède un atome d'azote lié directement au carbone d'un groupe carbonyle \( C=O \).

• Nomenclature : Le suffixe est -amide. Comme pour les amines, d'éventuels groupes alkyles sur l'azote sont notés N-alkyl.

éthanamide	N-methyléthanamide

Reconnaître un ester et un halogénoalcane

Identifier la famille fonctionnelle des molécules suivantes :

1. Le chlorométhane \( CH_3-Cl \)
2. L'éthanoate de propyle

Corrigé

1. La molécule contient un atome de chlore lié à un carbone : c'est un halogénoalcane.
2. Le nom se termine par "-oate de ...-yle", ce qui est caractéristique de la famille des esters.
   

Distinguer amine et amide

Quelle est la différence structurelle majeure entre la propan-1-amine et le propanamide ?

Corrigé

La propan-1-amine possède un groupe \( -NH_2 \) lié à un carbone tétraédrique \( (-CH_2-) \).

Le propanamide possède un groupe \( -NH_2 \) directement lié à un carbone portant une double liaison avec un oxygène \( (C=O) \).

propan-1-amine	propanamide

3. Isomérie de constitution

L'étude des molécules organiques montre qu'une même formule brute peut correspondre à des structures différentes.

Isomérie de constitution

Deux molécules sont des isomères de constitution si elles ont la même formule brute mais des formules planes (semi-développées ou topologiques) différentes.
Elles ont des propriétés physiques et chimiques différentes.

éthanol	méthoxyméthane

L'isomérie de constitution peut concerner la chaîne carbonée (isomérie de chaîne), la position du groupe caractéristique (isomérie de position) ou la nature du groupe caractéristique (isomérie de fonction).

Identifier des isomères

Les molécules de butan-1-ol et de butan-2-ol sont-elles des isomères ? Si oui, de quel type ?

Corrigé

Les 2 molécules ont pour formule brute \( C_4H_{10}O \)

butan-1-ol	butan-2-ol

Elles ont la même formule brute mais la position du groupe hydroxyle \( -OH \) diffère (carbone 1 vs carbone 2). Ce sont donc des isomères de constitution (isomères de position).

Recherche d'isomères

Dessiner deux isomères de constitution pour la formule brute \( C_3H_6 \).

Corrigé

• Le cyclopropane de la famille des alcanes :
  
• Le propène : de la famille des alcènes :
  

4. Les polymères

Dans l'industrie chimique, l'assemblage de petites molécules permet de créer de très grandes structures aux propriétés spécifiques.

Le Nylon, premier polymère commercial

Découvert en 1935, le nylon est un assemblage en série de 2 molécules :

hexane-1,6-diamine	acide hexanedioïque

Ces 2 molécules s'assemblent par polycondensation en une molécule très longue :

Polymère et motif

Un polymère est une macromolécule constituée par la répétition d'un très grand nombre de petites unités structurales appelées motifs.
La petite molécule de départ permettant de former ce polymère est appelée monomère.

La formule d'un polymère s'écrit généralement sous la forme \( \text{[-Motif-]}_n \) où \( n \) (l'indice de polymérisation) représente le nombre de fois que le motif se répète dans la chaîne.

Monomère	Polymère
Isoprène	Polyisoprène
	[]n
Acide lactique	Acide polylactique (PLA)
	[]n

Il existe des polymères :

• Naturels : l'ADN, la cellulose, les protéines, le caoutchouc naturel.
• Synthétiques : le polystyrène, le polychlorure de vinyle (PVC), le nylon, le polyéthylène (PE). Ces matériaux constituent les "plastiques" de notre quotidien.

Identifier le motif d'un polymère

Le polypropylène est obtenu à partir du propène . Lors de la polymérisation, la double liaison s'ouvre pour lier les molécules entre elles. Quel est le motif de ce polymère ?

Corrigé

L'ouverture de la double liaison \( C=C \) permet de créer des liaisons simples de part et d'autre de la molécule. Le motif est donc :

[]_n

Exemples de polymères

Citer un polymère naturel et un polymère synthétique, ainsi qu'une utilisation courante pour ce dernier.

Corrigé

• Polymère naturel : La cellulose (constituant du bois et du papier).
  
  [] _n
• Polymère synthétique : Le polyéthylène (PE), couramment utilisé pour fabriquer des sacs plastiques ou des bouteilles.
  
  [] _n

Exercices d'application

Représentation topologique et familles

Soit la molécule d'acide 2-aminopropanoïque.

1. Identifier les deux groupes caractéristiques présents dans cette molécule.
2. À quelles familles fonctionnelles appartiennent ces groupes ?

Formules topologiques et isomères

Pour la formule brute \( C_4H_8O_2 \).

1. Représenter la formule topologique de l'acide butanoïque.
2. Représenter la formule topologique du propanoate de méthyle.
3. Conclure sur la relation entre ces deux molécules.

Autour des polymères

Le Téflon (polytétrafluoroéthylène) est utilisé comme revêtement anti-adhésif dans les poêles. Son motif est \( -CF_2-CF_2- \).

1. Donner la formule de son monomère.
2. À quelle famille fonctionnelle le monomère appartient-il ?

Erreurs fréquentes

• Confondre une amine et un amide : un azote voisin d'un carbone lié doublement à un oxygène (\( C=O \)) forme un amide. Si le carbone voisin ne porte pas de \( C=O \), c'est une amine.
• Oublier les atomes d'hydrogène portés par les hétéroatomes (O, N) dans la formule topologique. Ils doivent toujours être écrits (par exemple : \( -OH \) ou \( -NH_2 \)).
• Penser que deux molécules représentées différemment sur le papier sont des isomères, alors qu'il peut s'agir de la même molécule simplement orientée différemment dans l'espace (tournée de 180° par exemple). Il est toujours utile de les nommer pour vérifier.

II - Stratégies

1. Réactions sélectives et protection de fonctions

Les molécules organiques complexes (comme les médicaments ou les principes actifs) possèdent souvent plusieurs groupes caractéristiques : on parle de molécules polyfonctionnelles. Lors d'une synthèse, un réactif peut potentiellement réagir avec plusieurs de ces groupes.

Chimiosélectivité

Une réaction est dite chimiosélective si, parmi plusieurs groupes caractéristiques présents au sein d'une ou de plusieurs molécules, un réactif réagit préférentiellement (ou exclusivement) avec l'un d'entre eux.

En plus des réactions d'oxydoréduction vues en première et acide-base vues précédemment, on distingue d'autres réations

Nouvelles réactions

• La substitution est une réaction au cours de laquelle un atome ou groupe d'atomes reliés à un carbone par une liaison simple est remplacé par un autre atome ou groupe d'atome.

Par exemple ?

Substitution nucléophile :
Réaction du bromopropane \(CH_3–CH_2–CH_2Br\) avec l’ion hydroxyde \(HO^⁻\) pour former du propan-1-ol \(CH_3–CH_2–CH_2OH\) et l’ion bromure \(Br^-\)
+→+

• L'addition correspond à l'ajout d'un atome ou groupe d'atomes sur une molécule comportant une liaison multiple (double ou triple).

Par exemple ?

Addition d’eau sur un alcène (hydratation) :
Réaction de l’éthène \(CH_2=CH_2\) avec de l’eau en présence d’un catalyseur acide pour former de l’éthanol \(CH_3–CH_2OH\).
+ →

Addition de dihydrogène sur un alcène (hydrogénation) :
Réaction du propène \(CH_3–CH=CH_2\) avec du dihydrogène \(H_2\) en présence d’un catalyseur (comme le nickel) pour former du propane \(CH_3–CH_2–CH_3\).
+→

• L'élimination est une réaction consistant à éliminer un atome ou un groupe d'atome dans une molécule, et qui conduit à la formation d'une liaison multiple (double ou triple).

Par exemple ?

Déshydratation d’un alcool :
Chauffage de l’éthanol \(CH_–CH_2OH\) en présence d’acide sulfurique concentré pour former de l’éthène \(CH_2=CH_2\) et de l’eau.
→ +

Déhydrohalogénation :
Exemple : Réaction du 2-bromopropane \(CH_3–CHBr–CH_3\) avec une base forte (comme KOH) pour former du propène \(CH_3–CH=CH_3\) et du bromure d’hydrogène (HBr).
+ → +

Si l'on souhaite faire réagir un groupe caractéristique particulier sans modifier les autres groupes sensibles de la molécule, on doit utiliser une stratégie de protection / déprotection.

Protection et déprotection

• Protection : on transforme temporairement le groupe caractéristique sensible que l'on veut conserver en un autre groupe (le groupe protecteur) inerte vis-à-vis du réactif utilisé pour l'étape suivante.
• Déprotection : une fois la réaction souhaitée effectuée sur le reste de la molécule, on restitue le groupe caractéristique initial en retirant le groupe protecteur.

Une telle stratégie ajoute deux étapes à la synthèse globale, ce qui peut faire baisser le rendement et augmenter l'impact environnemental.

Principe de la protection

Un chimiste souhaite réaliser une réaction sur le groupe carbonyle (cétone) d'une molécule qui possède également un groupe hydroxyle (alcool). Le réactif qu'il compte utiliser détruit le groupe hydroxyle.

1. Pourquoi dit-on que le réactif utilisé n'est pas chimiosélectif ?
2. Proposer une stratégie pour contourner ce problème.

Corrigé

1. Le réactif n'est pas chimiosélectif car il réagit avec les deux fonctions de la molécule (la cétone et l'alcool) sans distinction.

2. Il faut utiliser une stratégie de protection :

3. Étape 1 : Protéger le groupe hydroxyle (alcool) avec un groupe protecteur inerte.

4. Étape 2 : Réaliser la réaction souhaitée sur le groupe carbonyle (cétone).
5. Étape 3 : Déprotéger l'alcool pour retrouver le groupe hydroxyle initial.

2. Rendement d'une synthèse

Le rendement permet d'évaluer l'efficacité d'une synthèse chimique.

Rendement d'une réaction

Le rendement \( \eta \) (ou \( r \)) d'une synthèse est le rapport entre la quantité de matière de produit expérimentalement obtenue \( n_{\text{exp}} \) et la quantité de matière théorique maximale attendue \( n_{\text{th}} \) :

\( \eta = \frac{n_{\text{exp}}}{n_{\text{th}}} = \frac{m_{\text{exp}}}{m_{\text{th}}} \)

Le rendement s'exprime sans unité, souvent sous forme de pourcentage (multiplié par 100). Il est toujours inférieur ou égal à 1 (ou 100 %).

Dans le cas d'une synthèse multi-étapes (succession de plusieurs réactions), le rendement global est le produit des rendements de chaque étape.

\( \eta_{\text{global}} = \eta_1 \times \eta_2 \times \dots \times \eta_n \)

Calcul de rendement

La synthèse de l'aspirine s'effectue en une étape à partir de l'acide salicylique. Pour une masse attendue théoriquement de \( m_{\text{th}} = 5,0 \text{ g} \) d'aspirine, un élève obtient expérimentalement une masse purifiée de \( m_{\text{exp}} = 3,8 \text{ g} \).

1. Calculer le rendement de cette synthèse.
2. Si cette synthèse s'insérait dans un processus à trois étapes ayant des rendements respectifs de 76 %, 85 % et 90 %, quel serait le rendement global ?

Corrigé

1. Le rendement de l'étape est :
   \( \eta = \frac{m_{\text{exp}}}{m_{\text{th}}} = \frac{3,8}{5,0} = 0,76 \)
   Le rendement est de 76 %.
2. Le rendement global est le produit des rendements :
   \( \eta_{\text{global}} = 0,76 \times 0,85 \times 0,90 \approx 0,58 \)
   Le rendement global de cette synthèse serait de 58 %.

3. Optimisation d'une étape de synthèse

En chimie industrielle ou en laboratoire, on cherche toujours à optimiser une synthèse, c'est-à-dire à la rendre plus rapide et avec un meilleur rendement.

Leviers d'optimisation

• Améliorer la vitesse de réaction : On peut augmenter la température du milieu réactionnel (chauffage à reflux) ou ajouter un catalyseur adapté.
• Améliorer le rendement (déplacer l'équilibre) : Si la transformation est limitée, on peut augmenter le rendement en introduisant un réactif en excès ou en éliminant un des produits au fur et à mesure de sa formation (par exemple, distillation de l'eau formée lors d'une estérification).

Optimisation d'une estérification

L'estérification entre l'acide éthanoïque et l'éthanol est lente et limitée.

1. Comment accélérer cette synthèse sans modifier l'état final ?
2. Comment déplacer l'équilibre pour améliorer le rendement ?

Corrigé

1. Pour accélérer la synthèse, on peut chauffer le mélange réactionnel (souvent un chauffage à reflux pour éviter les pertes) et ajouter un catalyseur (comme quelques gouttes d'acide sulfurique concentré).
2. Pour déplacer l'équilibre dans le sens direct et améliorer le rendement, on peut utiliser l'un des réactifs (l'acide ou l'alcool) en large excès, ou éliminer l'eau au fur et à mesure de sa formation.

4. Stratégie éco-compatible (Chimie verte)

La chimie verte a pour but de concevoir des procédés chimiques qui réduisent ou éliminent l'utilisation et la synthèse de substances dangereuses, et qui minimisent l'impact sur l'environnement.

Parmi les 12 principes de la chimie verte, on retrouve notamment l'utilisation de ressources renouvelables, l'emploi de solvants non toxiques, la limitation des étapes de synthèse, et la maximisation de l'économie d'atomes.

Économie d'atomes (Utilisation Atomique)

L'économie d'atomes (ou Utilisation Atomique, UA) évalue la proportion d'atomes des réactifs qui se retrouvent dans le produit désiré.

\( \text{UA} = \frac{M_{\text{produit voulu}}}{\sum M_{\text{réactifs}}} \)

Où \( M \) représente la masse molaire des espèces, en tenant compte des coefficients stœchiométriques de l'équation de la réaction.

Plus l'UA est proche de 1 (ou 100 %), moins la réaction génère de sous-produits inutiles (déchets).

Calcul de l'Utilisation Atomique

Considérons la réaction de substitution nucléophile suivante pour former l'éthanol (\( \text{C}_2\text{H}_6\text{O} \), \( M = 46,0 \text{ g}\cdot\text{mol}^{-1} \)) :

\( \text{C}_2\text{H}_5\text{Cl} + \text{NaOH} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_6\text{O} + \text{NaCl} \)

Données : \( M(\text{C}_2\text{H}_5\text{Cl}) = 64,5 \text{ g}\cdot\text{mol}^{-1} \) et \( M(\text{NaOH}) = 40,0 \text{ g}\cdot\text{mol}^{-1} \).

Calculer l'utilisation atomique de cette synthèse.

Corrigé

L'utilisation atomique est donnée par :
\( \text{UA} = \frac{M(\text{C}_2\text{H}_6\text{O})}{M(\text{C}_2\text{H}_5\text{Cl}) + M(\text{NaOH})} \)
\( \text{UA} = \frac{46,0}{64,5 + 40,0} = \frac{46,0}{104,5} \approx 0,44 \)

L'économie d'atomes n'est que de 44 %, ce qui signifie que 56 % de la masse des réactifs est transformée en sous-produit (\( \text{NaCl} \)).

Exercices d'application

Analyse d'une stratégie de synthèse

Pour synthétiser le dipeptide Gly-Ala à partir des acides aminés Glycine et Alanine, on doit protéger le groupe amine de la Glycine et le groupe acide carboxylique de l'Alanine.

1. Pourquoi ces étapes de protection sont-elles indispensables ?
2. Quel est l'inconvénient principal de l'ajout de ces étapes sur l'impact environnemental de la synthèse ?

Corrigé

1. Les acides aminés possèdent tous les deux un groupe amine et un groupe acide carboxylique. Sans protection, ils pourraient réagir entre eux de multiples façons (Gly-Gly, Ala-Ala, Ala-Gly...), formant un mélange de plusieurs dipeptides. La protection assure la chimiosélectivité pour n'obtenir que le dipeptide ciblé (Gly-Ala).
2. L'ajout d'étapes de protection et de déprotection augmente la durée de la synthèse, consomme davantage de réactifs et de solvants, génère plus de déchets et diminue l'économie d'atomes, ce qui va à l'encontre des principes de la chimie verte.

Erreurs fréquentes

• Confusion entre Rendement et Économie d'atomes : Le rendement compare la masse expérimentale obtenue à la masse maximale théorique (il dépend des manipulations). L'économie d'atomes (UA) est une valeur purement théorique qui dépend uniquement de l'équation de la réaction chimique choisie.
• Additionner les rendements d'une synthèse multi-étapes : Le rendement global d'une synthèse à plusieurs étapes se multiplie (\( \eta_{\text{global}} = \eta_1 \times \eta_2 \times \dots \)), il ne s'additionne pas. Un grand nombre d'étapes fait chuter drastiquement le rendement global.
• Oublier les coefficients stœchiométriques dans le calcul de l'UA : Si un réactif a un coefficient 2 dans l'équation, il faut multiplier sa masse molaire par 2 au dénominateur de la formule de l'utilisation atomique.