Synthèse de Produits à Partir du Butan-2-ol
Contexte : La réactivité des alcools secondairesUn alcool où l'atome de carbone portant le groupe hydroxyle (-OH) est lié à deux autres atomes de carbone..
Le butan-2-ol est un alcool chiral couramment utilisé comme intermédiaire en synthèse organique. Cet exercice explore sa transformation en deux produits distincts : un alcène majoritaire par déshydratation et une cétone par oxydation. Vous devrez prédire les produits, justifier la régiosélectivité et calculer les rendements.
Remarque Pédagogique : Cet exercice met en lumière la compétition entre les réactions d'élimination et les réactions d'oxydation, ainsi que l'application de la règle de Zaitsev.
Objectifs Pédagogiques
- Identifier les produits d'oxydation et de déshydratation d'un alcool secondaire.
- Appliquer la règle de Zaitsev pour prédire l'alcène majoritaire.
- Calculer un rendement réactionnel à partir de masses données.
Données Expérimentales
Fiche Technique des Réactifs
| Composé | Formule | Masse Molaire (g/mol) | Densité (g/mL) |
|---|---|---|---|
| Butan-2-ol | \(\text{C}_4\text{H}_{10}\text{O}\) | 74.12 | 0.808 |
| Acide Sulfurique | \(\text{H}_2\text{SO}_4\) | 98.08 | 1.84 |
| Permanganate de K | \(\text{KMnO}_4\) | 158.03 | - |
Schéma Réactionnel Global
| Expérience | Réactif Utilisé | Quantité Introduite | Masse Produit Obtenu |
|---|---|---|---|
| Expérience 1 (Synthèse de B) | Butan-2-ol | 10.0 mL | 4.5 g (de B) |
| Expérience 2 (Synthèse de C) | Butan-2-ol | 5.0 g | ? (à calculer) |
Questions à traiter
- Identifier la structure du produit B majoritaire formé lors de la déshydratation et nommer la règle appliquée.
- Calculer le rendement de la synthèse de l'alcène B.
- Donner la structure du produit C obtenu par oxydation.
- Écrire l'équation bilan équilibrée de l'oxydation du butan-2-ol par l'ion permanganate en milieu acide.
Rappels Théoriques : Alcools et Élimination
Les réactions des alcools dépendent fortement de leur classe et des conditions opératoires.
1. La Règle de Zaitsev
Lors d'une réaction d'élimination (déshydratation), si plusieurs alcènes peuvent se former, l'alcène majoritaire est le plus substitué (le plus stable).
\[ \text{R-CH}_2\text{-CH(OH)-CH}_3 \xrightarrow{\text{H}^+} \text{R-CH=CH-CH}_3 (\text{Majoritaire}) + \text{R-CH}_2\text{-CH=CH}_2 (\text{Minoritaire}) \]
2. Oxydation des Alcools
L'oxydation d'un alcool secondaire conduit à une cétone. Cette réaction ne va pas jusqu'à l'acide carboxylique, contrairement aux alcools primaires.
Correction : Synthèse de Produits à Partir du Butan-2-ol
Question 1 : Identification du Produit B
Principe
La réaction avec l'acide sulfurique à chaud est une réaction d'élimination appelée déshydratation. Elle consiste à enlever une molécule d'eau (\(\text{H}_2\text{O}\)) à l'alcool pour former une double liaison C=C. L'acide joue le rôle de catalyseur en protonant le groupe hydroxyle pour en faire un bon groupe partant.
Mini-Cours
Le mécanisme (généralement E1 pour les alcools secondaires) passe par la formation d'un carbocation plan. Le proton est ensuite arraché sur un carbone adjacent (\(\beta\)). S'il y a plusieurs carbones adjacents porteurs d'hydrogènes, plusieurs alcènes peuvent se former (isomères de position).
Remarque Pédagogique
Visualisez la molécule en 3D. Les hydrogènes pouvant être éliminés sont ceux portés par les carbones directement liés au carbone fonctionnel (celui qui porte le -OH).
Normes
On utilise la nomenclature IUPAC pour nommer les produits. La règle empirique qui permet de prévoir le produit majoritaire est la règle de Zaitsev.
Hypothèses
On suppose que la réaction est sous contrôle thermodynamique, favorisant l'alcène le plus stable.
Donnée(s)
| Réactif | Structure |
|---|---|
| Butan-2-ol | \(\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH(OH)}-\text{CH}_3\) |
Astuces
Pour Zaitsev : "Le pauvre s'appauvrit". On arrache l'hydrogène au carbone voisin qui en a le moins.
Schéma (Analyse Mécanistique)
Compétition : Règle de Zaitsev
Raisonnement
Le carbone C2 porte le groupe OH. Ses voisins sont C1 (3 hydrogènes) et C3 (2 hydrogènes). Selon Zaitsev, on élimine préférentiellement un H sur le C3 (le plus substitué) pour former le but-2-ène, qui possède une double liaison interne plus stable que la double liaison terminale du but-1-ène.
Réflexions
Le but-2-ène existe lui-même sous forme de deux stéréoisomères : (E)-but-2-ène et (Z)-but-2-ène. L'isomère (E) est généralement majoritaire car il minimise l'encombrement stérique.
Points de vigilance
Ne confondez pas la règle de Zaitsev (élimination) avec la règle de Markovnikov (addition). Ce sont deux phénomènes opposés !
Points à retenir
- Déshydratation alcool = Élimination d'eau.
- Règle de Zaitsev : L'alcène le plus substitué est majoritaire.
Le saviez-vous ?
Alexandre Zaitsev a formulé sa règle en 1875 à l'Université de Kazan, la même université où Markovnikov a enseigné.
FAQ
Résultat Final
Mini Fiche Mémo
Synthèse Q1 : Déshydratation \(\rightarrow\) Alcène. Zaitsev \(\rightarrow\) Alcène le plus substitué (double liaison "au milieu").
Question 2 : Calcul du rendement (Produit B)
Principe
Le rendement d'une réaction est le rapport entre la quantité de produit réellement obtenue expérimentalement et la quantité maximale théorique que l'on aurait pu obtenir si la réaction avait été totale et sans pertes. Il exprime l'efficacité de la synthèse.
Mini-Cours
Pour calculer un rendement, il faut passer par les quantités de matière (mol). L'équation bilan nous donne les proportions stœchiométriques. Ici, 1 mole d'alcool donne 1 mole d'alcène.
Remarque Pédagogique
Attention aux états physiques ! Le butan-2-ol est un liquide, on nous donne son volume. Le produit est récupéré et pesé. La conversion Volume → Masse via la densité est une étape cruciale souvent oubliée.
Normes
En chimie organique expérimentale, on exprime généralement le rendement en pourcentage avec 3 chiffres significatifs, en cohérence avec la précision des instruments de mesure (balance, éprouvette).
Formule(s)
Quantité de matière (liquide)
Rendement
Hypothèses
On suppose que le butan-2-ol est le réactif limitant (l'acide est un catalyseur ou en excès) et qu'il est pur. On suppose aussi que le produit pesé est bien l'alcène pur et sec.
Donnée(s)
| Paramètre | Valeur |
|---|---|
| Volume Butan-2-ol | 10.0 mL |
| Densité Butan-2-ol | 0.808 g/mL |
| Masse Molaire Butan-2-ol | 74.12 g/mol |
| Masse B obtenue (But-2-ène) | 4.5 g |
| Masse Molaire B (\(\text{C}_4\text{H}_8\)) | 56.11 g/mol |
Astuces
Si vous trouvez un rendement supérieur à 100%, c'est qu'il y a une erreur ! Soit de calcul, soit le produit n'est pas sec (il contient encore de l'eau ou du solvant).
Schéma (Avant les calculs)
Voici le cheminement logique pour convertir les données initiales en rendement final. Suivez les flèches pour comprendre les conversions nécessaires.
Stratégie de Calcul
Calcul(s)
Étape 1 : Quantité de matière initiale (\(n_{\text{alcool}}\))
Nous devons d'abord convertir le volume de liquide réactif en une quantité de matière (mol) pour pouvoir raisonner sur la stœchiométrie. On utilise la densité pour obtenir la masse, puis la masse molaire.
Donc :
Nous avons donc introduit environ 0.109 mol de réactif dans le milieu réactionnel.
Étape 2 : Masse théorique de B (\(m_{\text{théo}}\))
La réaction étant mole à mole (1 mole d'alcool donne 1 mole d'alcène), la quantité maximale de produit attendue est identique à la quantité initiale de réactif limitant.
Donc :
Si la réaction était parfaite (rendement de 100%), nous aurions dû récupérer 6.12 g de but-2-ène.
Étape 3 : Rendement (\(\eta\))
Le rendement compare la masse réellement pesée à cette masse théorique idéale.
Le rendement est donc de 73.5%, ce qui signifie que près de trois quarts du réactif ont été convertis en produit isolé.
Schéma (Après les calculs)
Visualisation du Rendement (73.5%)
Réflexions
Un rendement de 73.5% est tout à fait correct pour une synthèse organique en laboratoire scolaire. Les pertes peuvent provenir de réactions parasites (formation d'éther, de but-1-ène), de l'évaporation du produit (le but-2-ène est volatil) ou des étapes de purification.
Points de vigilance
N'oubliez pas de prendre en compte la densité pour passer du volume à la masse ! Une erreur classique est d'utiliser "10 g" au lieu de "8.08 g". Vérifiez aussi d'utiliser la masse molaire du produit final pour le calcul théorique.
Points à retenir
- La relation fondamentale : \( \eta = \frac{\text{Réel}}{\text{Théorique}} \).
- La conservation de la matière en moles (stœchiométrie 1:1 ici).
Le saviez-vous ?
Dans l'industrie, on vise des rendements proches de 99% pour réduire les coûts et les déchets. On recycle souvent les réactifs n'ayant pas réagi.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Si on avait obtenu 5.0 g de produit, quel serait le rendement ?
Mini Fiche Mémo
Synthèse Question 2 : Calcul de rendement.
1. Calculer \(n_{\text{réactif}}\).
2. Déduire \(n_{\text{théorique produit}}\).
3. Calculer \(m_{\text{théorique}}\).
4. Ratio \(m_{\text{exp}}/m_{\text{théo}}\).
Question 3 : Identification du Produit C
Principe
L'oxydation des alcools est une réaction qui augmente le nombre de liaisons carbone-oxygène. Selon la classe de l'alcool (primaire, secondaire, tertiaire), le produit obtenu diffère. Ici, nous traitons un alcool secondaire.
Mini-Cours
Rappel des classes :
- Alcool Primaire (\(\text{R}-\text{CH}_2\text{OH}\)) \(\rightarrow\) Aldéhyde \(\rightarrow\) Acide Carboxylique.
- Alcool Secondaire (\(\text{R}-\text{CH(OH)}-\text{R}'\)) \(\rightarrow\) Cétone.
- Alcool Tertiaire \(\rightarrow\) Pas d'oxydation ménagée (pas d'hydrogène sur le carbone fonctionnel).
Remarque Pédagogique
Le terme "oxydation ménagée" signifie que l'on ne détruit pas le squelette carboné, contrairement à la combustion qui casse tout en \(\text{CO}_2\) et \(\text{H}_2\text{O}\).
Normes
La terminaison des cétones en nomenclature IUPAC est "-one". On numérote la chaîne pour que le groupe carbonyle (C=O) ait le plus petit indice possible.
Hypothèses
On considère que l'oxydant (\(\text{KMnO}_4\)) est suffisamment puissant pour oxyder l'alcool mais que les conditions ne sont pas assez drastiques pour rompre les liaisons C-C de la cétone formée.
Formule(s)
Schéma réactionnel
Donnée(s)
| Réactif | Structure | Type |
|---|---|---|
| Butan-2-ol | \(\text{CH}_3-\text{CH(OH)}-\text{CH}_2-\text{CH}_3\) | Alcool Secondaire |
| Oxydant | \(\text{KMnO}_4\) | Oxydant fort |
Astuces
Regardez le carbone qui porte le OH. S'il porte un H, il peut être oxydé. Il perd ce H et le H du groupe OH pour former C=O.
Schéma (Structure Cétone)
Mécanisme Simplifié d'Oxydation
Raisonnement
Le butan-2-ol possède un hydrogène sur le carbone 2. Lors de l'oxydation, cet hydrogène et celui de l'hydroxyle partent. Une double liaison s'établit entre le carbone 2 et l'oxygène. La molécule résultante est la butan-2-one, plus simplement appelée butanone.
Réflexions
La butanone est un solvant très utilisé industriellement (odeur proche de l'acétone). Contrairement aux aldéhydes, elle ne réagit pas avec la liqueur de Fehling.
Points de vigilance
Ne confondez pas cétone et éther ! Cétone = C=O, Éther = C-O-C. L'oxydation ne produit pas d'éther ici.
Points à retenir
- Alcool Secondaire + Oxydant \(\rightarrow\) Cétone.
- Pas d'oxydation ultérieure possible sans casser la chaîne carbonée.
Le saviez-vous ?
La butanone est naturellement présente en petites quantités dans certains fruits et légumes.
FAQ
Résultat Final
Mini Fiche Mémo
Synthèse Q3 : Alcool II \(\rightarrow\) Cétone. Groupe carbonyle C=O.
Question 4 : Équation Bilan (Oxydation)
Principe
Pour écrire une équation d'oxydoréduction, il faut identifier les deux couples redox mis en jeu et écrire leurs demi-équations électroniques. L'oxydant capte des électrons, le réducteur en cède. On combine ensuite les deux pour annuler les électrons.
Mini-Cours
Couples en présence :
1. \(\text{MnO}_4^- / \text{Mn}^{2+}\) (L'ion permanganate violet est l'oxydant).
2. \(\text{C}_4\text{H}_8\text{O} / \text{C}_4\text{H}_{10}\text{O}\) (La cétone/alcool).
En milieu acide, on équilibre l'oxygène avec \(\text{H}_2\text{O}\) et l'hydrogène avec \(\text{H}^+\).
Remarque Pédagogique
C'est une méthode systématique. Ne tentez pas de deviner les coefficients ! Écrivez les demi-équations, vérifiez les atomes, puis les charges.
Normes
On note les espèces en solution aqueuse (aq) généralement. L'ion \(\text{H}^+\) est souvent noté \(\text{H}_3\text{O}^+\) en rigueur, mais \(\text{H}^+\) est accepté pour simplifier l'écriture dans les bilans redox complexes.
Hypothèses
La réaction se fait en milieu acide sulfurique (source de \(\text{H}^+\)) et l'oxydant est en excès pour assurer la transformation totale de l'alcool.
Donnée(s)
| Couple Redox | Oxydant | Réducteur |
|---|---|---|
| Couple 1 | \(\text{MnO}_4^-\) (Permanganate) | \(\text{Mn}^{2+}\) (Ion Manganèse) |
| Couple 2 | \(\text{C}_4\text{H}_8\text{O}\) (Butanone) | \(\text{C}_4\text{H}_{10}\text{O}\) (Butan-2-ol) |
Astuces
Vérifiez toujours la conservation de la charge à la fin. Si vous avez -1 à gauche et +2 à droite, c'est faux ! Le nombre total de charges doit être identique de chaque côté.
Schéma (Échange électronique)
Transfert d'électrons
Calcul(s) (Équilibrage)
Demi-équation 1 (Réduction)
Commençons par la demi-équation de réduction de l'oxydant (permanganate). Le manganèse passe du degré d'oxydation +VII à +II. Il gagne donc 5 électrons. On équilibre les oxygènes avec 4 molécules d'eau et les hydrogènes avec 8 protons.
Il faut 5 électrons pour réduire le manganèse, et 8 protons H+ pour équilibrer les oxygènes en eau.
Demi-équation 2 (Oxydation)
Passons à l'oxydation du réducteur (alcool). L'alcool perd 2 atomes d'hydrogène pour former la double liaison C=O. Il libère donc 2 protons et 2 électrons.
La formation de la double liaison C=O libère 2 électrons et 2 protons.
Combinaison (x2 en haut, x5 en bas)
Pour que le nombre d'électrons gagnés (5) soit égal au nombre d'électrons perdus (2), on cherche le plus petit commun multiple (10). On multiplie la première équation par 2 et la seconde par 5.
On multiplie la première équation par 2 et la seconde par 5 pour avoir 10 électrons de chaque côté.
Bilan (Simplification des H+)
En additionnant les réactifs et les produits, on obtient l'équation bilan brute. Il faut ensuite simplifier les espèces présentes des deux côtés. Il y a 16 \(\text{H}^+\) à gauche (2x8) et 10 \(\text{H}^+\) à droite (5x2).
Après simplification des 10 protons, il reste 6 \(\text{H}^+\) du côté des réactifs.
L'équation finale montre que la réaction consomme des protons, d'où la nécessité du milieu acide.
Schéma (Après les calculs)
Visualisation des Proportions (Stœchiométrie 2:5)
Réflexions
On observe souvent une décoloration de la solution violette (\(\text{MnO}_4^-\)) vers l'incolore (\(\text{Mn}^{2+}\)). Cette propriété peut être utilisée pour doser l'alcool (ou vérifier la fin de réaction).
Points de vigilance
N'oubliez pas de simplifier les ions \(\text{H}^+\) qui apparaissent des deux côtés de l'équation ! Ici on avait 16 à gauche et 10 à droite, il en reste 6 à gauche.
Points à retenir
- Le couple \(\text{MnO}_4^-/\text{Mn}^{2+}\) échange 5 électrons.
- L'alcool secondaire s'oxyde en cétone (échange de 2 électrons).
- Il faut toujours égaliser le nombre d'électrons avant d'additionner.
Le saviez-vous ?
C'est le même principe chimique qui était utilisé dans les anciens alcootests (les "ballons"). L'éthanol de l'haleine réduisait le dichromate (orange) en ions chrome (vert).
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Combien d'électrons seraient échangés si on oxydait le méthanol (\(\text{CH}_3\text{OH}\)) jusqu'au \(\text{CO}_2\) ?
Mini Fiche Mémo
Synthèse Question 4 : Équilibrage Redox.
1. Demi-équation oxydant (gain e-).
2. Demi-équation réducteur (perte e-).
3. Égaliser les électrons (PPCM).
4. Additionner et simplifier H+/H2O.
Outil Interactif : Simulateur de Rendement
Simulez l'impact de la quantité de réactif et de l'efficacité de la réaction sur la masse de produit obtenu.
Paramètres de Synthèse
Prévisions
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Quel est le rôle de l'acide sulfurique concentré dans la synthèse de B ?
2. Si on oxyde un alcool tertiaire (ex: 2-méthylpropan-2-ol) avec du KMnO4, qu'obtient-on ?
Glossaire
- Règle de Zaitsev
- Règle empirique prédisant que lors d'une réaction d'élimination, l'alcène le plus substitué est le produit majoritaire.
- Déshydratation
- Réaction chimique impliquant la perte d'une molécule d'eau par le réactif.
- Carbocation
- Espèce chimique portant une charge positive sur un atome de carbone, intermédiaire réactionnel fréquent dans les réactions d'élimination E1.
- Régiosélectivité
- Préférence d'une réaction chimique pour former majoritairement l'un des isomères de constitution possibles.
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